DE4231734A1 - Piezoelektrische einrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, in welcher ein piezoelektrisches Element verwendet wird, im einzelnen ein piezoelektrisches Betätigungselement, bei welchem eine große Kraft an einem Punkt großer Auslenkung erzielt wird.

Bei einer Steuerschalttafel oder ähnlichem, bei welcher programmierbare Steuerelemente verwendet werden, muß ein Eingangssignal von einem Betätigungsschalter für viele Anwendungen nicht ein kontinuierliches Signal, sondern kann ein Impulssignal sein. Für solche Anwendungen kann ein Element verwendet werden, welches bei seiner Betätigung ein Impulssignal erzeugt, wobei dieses Element anstelle eines herkömmlichen Druckknopf-Schalters oder ähnlichem mit mechanischen Kontakten verwendet werden kann.

Darüberhinaus ist es bekannt, daß piezoelektrische Elemente eine elektrische Ladung erzeugen, wenn eine äußere Kraft auf diese Elemente einwirkt. Dieses Phänomen wird dafür genutzt, daß ein Impulssignal erzeugt werden kann, ohne daß von außen eine elektrische Leistung zugeführt werden muß.

Um ein Impulssignal durch Verwenden eines piezoelektrischen Elements zu erhalten, ist es erforderlich, das piezoelektrische Element plötzlich mit einer mechanischen Spannung zu beaufschlagen. Wenn ein piezoelektrisches Betätigungselement nur aus einem piezoelektrischen Element besteht, ist es erforderlich, einen separaten Mechanismus zum Umwandeln einer allmählich anwachsenden Schalter-Betätigungskraft in eine schlagartige Kraft vorzusehen. Im Ergebnis wird die gesamte Konstruktion kompliziert und teuer.

Darüberhinaus werden ein Fluiddruck (Öldruck, Luftdruck usw.) oder ein Elektromagnet häufig verwendet, um eine Antriebsquelle für eine Betätigungseinrichtung zum Aufbringen einer Betätigungskraft für verschiedene Ausrüstungselemente aufzubringen. In neuerer Zeit wurde jedoch ein Betätigungselement entwickelt, welches eine Auslenkung nutzt, welche auftritt, wenn eine elektrische Spannung in ein piezoelektrisches Element geleitet wird, wie beispielweise piezoelektrische Keramik oder ähnliches (nachfolgend als piezoelektrisches Betätigungselement bezeichnet). Das piezoelektrische Betätigungselement hat eine Vielzahl von Vorteilen, wie eine kürzere Ansprechzeit, ein leiser Betrieb ohne Geräusche, und eine Verringerung der erforderlichen Größe und Last.

Grundsätzlich ist im Falle eines Betätigungselements, welche einen Fluiddruck verwendet, die erzeugte Kraft unabhängig von der Auslenkung des Betätigungs-Endteils. Die durch einen Elektromagnet erzeugte Kraft wird im Gegensatz dazu an einem Punkt maximaler Auslenkung maximal, weil der Punkt maximaler Auslenkung der gleiche ist, wie der Punkt, an welchem das bewegliche Element von dem Stator angezogen wird.

Bei einem piezoelektrischen Betätigungselement ist jedoch das Problem vorhanden, daß die von dem piezoelektrischen Element erzeugte Kraft während der Auslenkung bei einer größeren Auslenkung kleiner wird, weshalb eine große Kraft nicht an einem Punkt gleichzeitig großer Auslenkung erreicht werden kann. Herkömmlicherweise ist ein Mechanismus zum Vergrößern der Kraft separat vorgesehen, weil es Schwierigkeiten bereitet, das piezoelektrische Betätigungselement alleine zu verwenden.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine piezoelektrische Einrichtung zu schaffen, welche eine einfache Konstruktion aufweist und mit welcher ein Spannungsimpuls durch ein piezoelektrisches Element erzeugt werden kann, wobei eine plötzliche große Auslenkung des piezoelektrischen Elements erfolgt, ohne daß die äußere Kraft in eine schlagartige Kraft umgewandelt werden muß.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein piezoelektrisches Betätigungselement zu schaffen, bei welchem eine große Betätigungskraft auch an einem Punkt großer Auslenkung erzielt werden kann.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine piezoelektrische Einrichtung gelöst, welche versehen ist mit: einer flachen Feder mit einer Mehrzahl von gekrümmten, seitlichen Rippen, wobei die gekrümmten seitlichen Rippen ein erstes und ein zweites Ende aufweisen, einer mittleren Rippe, welche ein erstes und ein zweites Ende und eine untere sowie eine obere Fläche aufweist und zwischen den gekrümmten seitlichen Rippen angeordnet ist, einem fixierten ersten Endteil, welcher das erste Ende der mittleren Rippe mit den ersten Enden der Mehrzahl von gekrümmten seitlichen Rippen verbindet, und einem freien zweiten Endteil, welcher das zweite Ende der mittleren Rippe mit den zweiten Enden der Mehrzahl von gekrümmten seitlichen Rippen verbindet, wobei die gekrümmten seitlichen Rippen und die mittlere Rippe parallel zueinander verlaufen; und einem piezoelektrischen Element, welches an der unteren Fläche der mittleren Rippe befestigt ist.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden diese Aufgaben dadurch gelöst, daß die gekrümmten Rippen zu einer jeweiligen von einander entgegengesetzten Seiten einer geraden Rippe hin gekrümmt sind und piezoelektrische Elemente mit einander entgegengesetzter Polarisierung auf einer jeweiligen der gegenüberliegenden Flächen der geraden Rippe angeordnet sind, so daß ein Zweirichtungs-Betätigungselement, welches einen in zwei Richtungen möglichen Betätigungsvorgang verwirklicht, ausgebildet wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, welche ein Ausführungsbeispiel zeigt;

Fig. 2(A) und 2(B) Draufsichten zum Erläutern des Herstellungsverfahrens zum Herstellen der flachen Federn nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht, welche die Befestigung des piezoelektrischen Betätigungselements nach Fig. 1 an einer festen Wand und einen Spannungsgenerator darstellt;

Fig. 4(A)-4(C) Diagramme, welche das Verhältnis zwischen der Zeit und der Auslenkung, der Zeit und der Kraft und der Zeit und der elektrischen Spannung zeigt, wenn das piezoelektrische Betätigungselement nach Fig. 3 ausgelenkt wurde;

Fig. 5(A) und 5(B) Diagramme, welche die Beziehung zwischen der Auslenkung und der Kraft zeigen, wenn das piezoelektrische Betätigungselement nach Fig. 1 ausgelenkt wird, wobei die Stärke der Krümmung der gebogenen Rippen relativ klein ist (Fig. 5(A)) und wobei die Stärke der Krümmung groß ist (Fig. 5(B));

Fig. 6(A) und 6(B) eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels;

Fig. 7 eine Seitenansicht, welche das Betätigungselement nach Fig. 1 zeigt, welches an einem Ende festgelegt ist;

Fig. 8 ein Federcharakteristik-Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Auslenkung und der Last für das piezoelektrische Element und die flache Feder bei Aufbringen einer elektrischen Spannung auf das Betätigungselement nach Fig. 7 darstellt;

Fig. 9 ein zusammengesetztes Diagramm der in Fig. 8 dargestellten Diagramme;

Fig. 10 ein Federcharakteristik-Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Auslenkung und der Last für das piezoelektrische Element und die flache Feder darstellt, wenn die auf das Betätigungselement nach Fig. 1 einwirkende elektrische Spannung weggenommen wird;

Fig. 11 ein zusammengesetztes Diagramm der in Fig. 10 dargestellten Diagramme;

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht, welche ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;

Fig. 14 ein Federcharakteristik-Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Auslenkung und der Last für das piezoelektrische Element und die flache Feder bei Aufbringen einer elektrischen Spannung auf das Betätigungselement nach Fig. 13 darstellt;

Fig. 15 ein zusammengesetztes Diagramm der in Fig. 14 dargestellten Diagramme;

Fig. 16 eine perspektivische Ansicht, welche ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;

Fig. 17 eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels mit einer Einstelleinrichtung zum Einstellen eines Schnappunkts;

Fig. 18 ein Federcharakteristik-Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Auslenkung und der Last für das piezoelektrische Element und die flache Feder bei Aufbringen einer elektrischen Spannung auf das Betätigungselement nach Fig. 17 darstellt.

Eine flache Feder mit einer Schnappfedercharakteristik kann dadurch ausgebildet werden, daß gegenüberliegende Enden von gekrümmten Rippen mit den einander gegenüberliegenden Enden einer geraden Rippe verbunden werden. Wenn eine Last auf eine flache Feder aufgebracht wird, um diese flache Feder nach und nach zu biegen, tritt bei einer Feder mit einer Schnappfedercharakteristik ein plötzliches Anwachsen des Verhältnisses von Auslenkung zur Last ein, wenn die Auslenkung einen bestimmten Punkt erreicht hat (einen Schnappunkt).

Wenn ein piezoelektrisches Element an der geraden Rippe befestigt ist oder ein lamellenartig zusammengesetztes piezoelektrisches Element so befestigt ist und eine äußere Kraft auf die flache Feder derart wirkt, daß das Maß der Auslenkung der flachen Feder plötzlich in einem Moment ansteigt, in welchem die Auslenkung den Schnappunkt erreicht hat, steigt auch die auf das an der flachen Feder befestigte piezoelektrische Element ausgeübte Biegespannung plötzlich. Zu diesem Zeitpunkt wird eine der Spannung entsprechende Ladung in dem piezoelektrischen Element erzeugt und die so erzeugte Ladung ruft einen Spannungsimpuls hervor.

Wenn das piezoelektrische Element mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt wird, um dieses auszulenken, wird die Federkraft der flachen Feder, welche der von dem piezoelektrischen Element erzeugten Kraft zunächst entgegenwirkte, umgedreht und addiert sich zu der durch das piezoelektrische Element aufgebrachten Kraft in dem Moment, in dem die Stärke der Auslenkung der insgesamt gekrümmten flachen Feder mit dem piezoelektrischen Element den Schnappunkt überschritten hat. Aus diesem Grund kann eine stärkere Kraft als bei Verwendung nur eines piezoelektrischen Elements erzielt werden.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Fig. 1 bis 6 erläutert.

Fig. 1 stellt eine perspektivische Ansicht dar, welche das piezoelektrische Betätigungselement darstellen. In Fig. 1 ist beispielsweise eine flache Feder 1 in Form einer 0,22 mm dicken Phosphor-Bronze-Feder dargestellt, welche drei einander parallele Rippen 1a bis 1c aufweist, welche an ihren einander gegenüberliegenden Enden mittels Verbindungsteilen 1d und 1e verbunden sind. Die Mittelrippe 1b ist geradlinig ausgebildet, während die Rippen 1a und 1c auf den beiden Seiten der Mittelrippe 1b in der gleichen Richtung gekrümmt sind.

Es ist ein beispielsweise rechteckiges piezoelektrisches Element 2 vorgesehen, welches auf der Oberseite der Mittelrippe 1b mittels eines Klebstoffes befestigt ist. Das piezoelektrische Element 2 wird durch Ausschneiden an den gegenüberliegenden Seite eines piezoelektrischen Blechs hergestellt, auf welche Elektroden eines elektrisch leitenden Materials auf gedruckt sind. Leitungsdrähte 3 sind mit den jeweiligen Elektroden verbunden.

Die Fig. 2(A) und 2(B) zeigen ein Verfahren zum Krümmen der Rippen 1a und 1c der flachen Feder 1. Wenn die flache Feder 1 durch Pressen eines plattenförmigen Materials mittels einer Presse hergestellt wird, ist die gesamte Oberfläche gleichmäßig flach. Als nächstes wird die flache Oberfläche einer plastischen Deformierung unterzogen, so daß die jeweiligen Endbereiche der Rippen 1a und 1c quer mittels eines Pressenelements 5 deformiert werden, während die Endbereiche 4 von einem Stützelement abgestützt werden, wodurch jede der Rippen 1a und 1c verlängert wird, so daß sie länger als die Mittelrippe 1b sind.

Nachdem das piezoelektrische Element 2 auf die flache Feder 1 aufgeklebt wurde, welche einer Krümmung unterzogen wurde, werden die Leitungsdrähte 3 angelötet und eine Isolierschicht wird entweder auf die gesamte Oberfläche oder nur auf das piezoelektrische Element aufgebracht. Das piezoelektrische Element 2 kann auch auf die flache Feder 1 auf geklebt werden, bevor die Rippen 1a und 1c gekrümmt wurden.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist das in Fig. 1 dargestellte piezoelektrische Element an einem Ende 1d fixiert und eine Kraft in Richtung des Pfeils wird auf das andere Ende 1e aufgegeben, wodurch die flache Feder und das piezoelektrische Element 2 ausgelenkt werden. Das gesamte, mit der flachen Feder 1 einstückig verbundene piezoelektrische Element wird mit einer Druckspannung beaufschlagt, so daß an den Elektroden eine elektrische Ladung erzeugt wird. Es ist ein Ausgangswiderstand 6 vorgesehen, über welchen die erzeugte Ladung als eine Spannung ausgegeben wird, und eine Druckfeder 7 zum Aufbringen einer Kraft auf das zum Verbinden geeignete bewegliche Ende 1e ist vorgesehen.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm, welches die Auslenkung, die Kraft und die elektrische Spannung veranschaulicht, wenn das in Fig. 3 dargestellte piezoelektrische Element ausgelenkt wird. Fig. 4(A) zeigt einen zeitlichen Wechsel der Auslenkung bei der nach Fig. 4(B) auf das Ende 1e aufgebrachten Kraft, und Fig. 4(C) zeigt einen zeitlichen Wechsel der elektrischen Spannung, welche an dem Ausgangswiderstand 6 anliegt. Wenn eine Kraft derart aufgebracht wird, daß die Auslenkung allmählich von Null in Fig. 4(A) zunimmt, steigt die Kraft entsprechend der Auslenkung allmählich, wie in Fig. 4(B) gezeigt ist. Obgleich das piezoelektrische Element 2 eine Ladung während dieses Auslenkungsvorgangs erzeugt, wird diese Ladung unmittelbar abgeleitet, wenn der Ausgangswiderstand 6 geeignet gewählt wurde, und aus diesem Grund wird nur eine geringe elektrische Spannung gemessen, wie in Fig. 4(C) dargestellt ist.

Bei obigem Auslenkungsvorgang werden die Rippen 1a und 1c allmählich in einer der gekrümmten Seite entgegengesetzten Richtung angehoben, d. h. in Richtung der Oberseite in Fig. 3. Wenn dann die Auslenkung nach der Zeitspanne T1 den Schnappunkt erreicht, drehen die Rippen 1a und 1c ihre Krümmung in die entgegengesetzte Richtung in eine Lage jenseits der Mittelrippe 1b um. Dadurch läßt die auf die flache Feder 1 ausgeübte Erzeugungskraft plötzlich nach. Weil die der Kraft vor dem Umschnappvorgang entsprechende Federenergie in der Druckfeder 7 gespeichert wurde, nimmt jedoch die Auslenkung der flachen Feder schlagartig zu, bis wieder ein Kräftegleichgewicht hergestellt ist. Im Ergebnis wird eine schlagartige, hohe Druckspannung in dem piezoelektrischen Element 2 erzeugt, so daß ein Spannungsimpuls an dem Ausgangswiderstand 6 auftritt.

Obgleich die danach in dem Element herrschende Last mit zunehmender Auslenkung bis zum Zeitpunkt T2 weiter ansteigt, wird die Ladung in dieser Zeitspanne abgeleitet, so daß die gemessene elektrische Spannung in dieser Zeitspanne gering ist. Wenn die Kraft nach dem Zeitpunkt T2 gering wird, erreicht die Auslenkung den Schnappunkt wieder nach Erreichen des Zeitpunkts T3, so daß die Rippen 1a und 1c wieder in ihre anfängliche Stellung umgekehrt werden, d. h. wie in Fig. 3 dargestellt nach unten gekrümmt, so daß die Last in dem Element plötzlich ansteigt. Aus diesem Grund wird das Ende 1e, auf welches die Kraft aufgebracht wird, nach oben angehoben und drückt die Druckfeder 7 plötzlich zusammen, wodurch die Auslenkung plötzlich abnimmt. Im Ergebnis läßt die Druckspannung in dem piezoelektrischen Element 2 plötzlich nach, so daß ein Spannungsimpuls mit einer umgekehrten Polarität als der bei zunehmender Auslenkung erzeugt wird. Wenn darüberhinaus eine verbleibende Ladung aus der Zeitspanne vorhanden ist, in welcher der positive Spannungsimpuls erzeugt wurde, verringert sich der Maximalwert des Spannungsimpulses entsprechend der verbliebenen Ladung. Wenn dann die Kraft nach dem Zeitpunkt T4 zu Null wird, kehrt das piezoelektrische Betätigungselement zu seinem in Fig. 3 dargestellten Anfangszustand zurück.

Für ein Experiment wurde das piezoelektrische Betätigungselement derart hergestellt, daß ein PZT­ piezoelektrisches Element eine Breite von 3 mm, eine Länge von 30 mm und eine Dicke von 0,3 mm aufwies und auf eine flache Feder geklebt wurde, welche auf eine Phosphor enthaltene Platte von 0,3 mm Dicke aufgeklebt wurde. Wenn das präparierte piezoelektrische Betätigungselement von Hand ausgelenkt wurde, entstand ein Signal mit einer Spitzenspannung von 10 V und einer Anstiegszeit von 10 ms. Zu diesem Zeitpunkt betrug die elektrostatische Kapazität des piezoelektrischen Elements 15 nF und der Ausgangswiderstand betrug 1 MΩ.

Die Bremszeit wird entsprechend der Zeitkonstante CR festgelegt sowie die erzeugte Ladung entsprechend der mechanischen Spannung danach.

Fig. 5 zeigt die Situation für das piezoelektrische Betätigungselement, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, in einem ausgelenkten Zustand, d. h. die Beziehung zwischen Auslenkung und aufgebrachter Kraft. Fig. 5(A) zeigt den Fall, in welchem die Stärke der Krümmung der Rippen 1a und 1c relativ gering ist, und Fig. 5(B) zeigt den Fall, in welchem die Stärke der Krümmung relativ stark ist.

Im Fall (A) entspricht die Stärke der Krümmung dem unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschriebenen Fall. In diesem Fall wird eine monostabile Charakteristik erzeugt, gemäß welcher nach dem Passieren des Schnappunkts P eine in die gleiche Richtung wirkende Kraft verbleibt, und wenn die Kraft verringert wird, das piezoelektrische Betätigungselement automatisch in seine Ausgangsposition P0 zurückkehrt. In diesem Fall wird um den Schnappunkt eine Hysterese ausgebildet, so das der Schnappunkt bei P1 liegt, wenn die Kraft vergrößert wird, und bei P2 liegt, wenn die Kraft verringert wird.

Im Fall (B), in welchem die Stärke der Krümmung groß ist, liegt eine bistabile Charakteristik vor, gemäß welcher die Last in dem Element sich umkehrt, wenn der Schnappunkt P passiert wurde, und wenn die Kraft in diesem Fall weggenommen wird, tritt ein erneuter stabiler Zustand bei dem Punkt P3 ein, welcher entgegengesetzt zu der Anfangsstellung P0 angeordnet ist. Auch in diesem Fall liegt um den Schnappunkt P eine Hysterese vor, so daß der Schnappvorgang an dem Punkt P1 beim Vergrößern der Kraft eintritt, während der Schnappvorgang beim Verringern der Kraft an dem Punkt P2 eintritt.

Fig. 6(A) und 6(B) stellen eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung dar. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind lamellierte piezoelektrische Elemente 2A und 2B an der flachen Feder 1 befestigt, um die Menge der erzeugten Ladung zu erhöhen. Die piezoelektrischen Elemente sind in ihrer Polarisationsrichtung entgegengesetzt angeordnet, wie durch die Pfeile in Fig. 6(B) gezeigt ist, so daß im wesentlichen eine doppelte Spannung in dem Leitungsdraht 3a herrschen kann, welcher mit einer Gegenelektrode verbunden ist, und in dem Leitungsdraht 3b, welcher gemeinsam mit den Elektroden der gegenüberliegenden Seite verbunden ist. Die Anzahl der piezoelektrischen Elemente in einem Lamellenverbund kann drei und mehr betragen.

Wie oben beschrieben, kann jedes der in den dargestellten Ausführungsbeispielen gezeigten piezoelektrischen Betätigungselemente derart ausgebildet sein, daß das piezoelektrische Element 2 auf die geradlinige Rippe 1b der flachen Feder 1 aufgeklebt ist, welche eine Schnappfedercharakteristik aufgrund der gekrümmten Rippen 1a und 1c aufweist, wobei eine plötzliche Spannung auf das piezoelektrisches Element 2 mittels einer allmählich ansteigenden Kraft aufgrund der Schnappfedercharakteristik aufgebracht wird, wodurch durch den Schnappvorgang mittels der flachen Feder 1 ein Spannungsimpuls erzeugt wird.

Bei allen Ausführungsbeispielen kann die Stärke der Krümmung der flachen Feder 1 bei den Rippen 1a und 1c unterschiedlich sein und es kann ein zweistufiger Schnappvorgang erzielt werden, wodurch bei einer Auslenkbewegung zwei Impulssignale erzeugt werden können. Darüberhinaus kann auch nur eine der Rippen gekrümmt sein, oder die Anzahl der gekrümmten Rippen kann drei oder mehr betragen, und die Schnappunkte können entsprechend den unterschiedlichen Krümmungen der Rippen unterschiedlich sein.

Weitere Ausführungsbeispiele werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 7 bis 18 beschrieben.

Wenn eine elektrische Spannung mit einem elektrischen Feld, welches die gleiche Polaritätsrichtung aufweist, an das piezoelektrische Element 2 angelegt wird, wobei ein Ende 1d des in Fig. 1 dargestellten piezoelektrischen Betätigungselements fixiert ist und das andere Ende 1e wie in Fig. 7 gezeigt frei ist, dehnt sich das piezoelektrische Element 2 in Dickenrichtung aus (der Vertikaleffekt) und zieht sich in Längsrichtung zusammen (der Horizontaleffekt). Weil das piezoelektrische Element 2 an seiner an der flachen Feder 1 angeklebten Seite in seiner Oberfläche festgelegt ist, kann sich nur die der angeklebten Seite gegenüberliegende freie Oberfläche zusammenziehen, so daß das piezoelektrische Element 2 zu der zusammengezogenen Seite hin gekrümmt wird. Im Ergebnis wird die einstückig mit dem piezoelektrischen Element 2 ausgebildete flache Feder 1 ebenfalls zu der Seite hin gekrümmt, zu welcher die Rippen 1a und 1c hin gekrümmt sind (in Fig. 7 nach unten) und das freie Ende 1e wird nach unten verlagert. Wenn das freie Ende 1e als ein Betätigungs-Endteil verwendet wird, kann an diesem Ende eine Betätigungskraft und eine Betätigungs-Auslenkung entnommen werden.

In diesem Fall werden die Rippen 1a und 1c allmählich in Fig. 7 gesehen nach oben gebogen, während sich die flache Feder 1 krümmt, und wenn die Stärke der Krümmung einen bestimmten Punkt erreicht hat, kehren die Rippen 1a und 1c ihre Krümmung bei einer gewissen Auslenkungspunkt um. Dies ist der Schnappunkt.

Fig. 8 zeigt ein charakteristisches Diagramm, welches das Verhältnis zwischen der Auslenkung des piezoelektrischen Elements 2 und der flachen Feder 1 an deren freiem Enden zeigt, wenn eine Spannung auf das piezoelektrisches Element 2 aufgegeben wird, und stellt die von dem piezoelektrischen Element 2 erzeugte Kraft (die Betätigungskraft) dar sowie die Kraft, mit welcher die flache Feder 1 gegen das piezoelektrische Element 2 wirkt.

Wie in der Zeichnung dargestellt ist, erreicht die durch das piezoelektrische Element 2 erzeugte Kraft an einem Punkt ein Maximum, an welchem die Auslenkung Null ist, wobei an diesem Punkt die Auslenkung begrenzt wird, während eine elektrische Spannung aufgebracht wird. Die Auslenkung nimmt an einem Punkt ein Maximum an, an welchem die erzeugte Kraft zu Null wird, während das freie Ende losgelassen ist.

Die Federkraft der flachen Feder 1 steigt andererseits mit zunehmender Auslenkung und die Richtung der Kraft ist der Kraft des piezoelektrischen Elements 2 entgegengerichtet, bevor der Schnappunkt erreicht ist. Wenn dann der Schnappunkt erreicht ist, dreht sich die Richtung der Kraft um, so daß sie mit der durch das piezoelektrische Element 2 erzeugten Kraft gleichgerichtet ist. Die flache Feder 1 befindet sich in ihrem gekrümmten Zustand in einem stabilen Zustand, wenn das freie Ende losgelassen wird. In diesem Punkt wird die Auslenkung maximal und die Kraft wird zu Null.

Fig. 9 stellt ein zusammengesetztes Diagramm der Kurven in Fig. 8 dar, wobei die Kraft bei der Verlagerung durch Subtrahieren der Widerstandskraft der flachen Feder 1 von der von dem piezoelektrischen Element erzeugten Kraft ermittelt wurde. Bevor die Auslenkung der flachen Feder 1 ihren Schnappunkt S erreicht, ist die zusammengesetzte Kraft kleiner als im Falle der Verwendung von nur einem piezoelektrischen Element alleine, weil die Federkraft der flachen Feder 1 der durch das piezoelektrische Element erzeugten Kraft entgegenwirkt. Wenn der Schnappunkt S überschritten wurde, wird die zusammengesetzte Kraft größer als bei Verwendung von nur dem piezoelektrischen Element alleine, wobei die Verwendung von nur einem piezoelektrischen Element alleine durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist, weil sich die Kraft der flachen Feder 1 zu der von dem piezoelektrischen Element 2 erzeugten Kraft hinzuaddiert.

Wenn folglich die Kraft an dem freien Ende der flachen Feder 1 an einem Punkt, beispielsweise an dem Punkt A entnommen wird, an welchem der Schnappunkt S überschritten wurde, ist es möglich, eine um die Kraft F1 größere Kraft als die Kraft F0 zu entnehmen, welche bei ausschließlicher Verwendung des piezoelektrischen Elements entnehmbar wäre.

Die Fig. 10 und 11 zeigen die Verhältnisse zwischen der Auslenkung, wenn eine aufgebrachte elektrische Spannung in dem gekrümmten Zustand des piezoelektrischen Elements 2 weggenommen wird, und der Kraft, wenn die flache Feder 1 in ihre ursprüngliche Lage zurückgebracht wird, wobei Fig. 10 die Verhältnisse für das piezoelektrische Element 2 und die flache Feder 1 zeigt und Fig. 11 ein zusammengesetztes Diagramm von dem in Fig. 10 gezeigten Diagramm ist.

Gemäß Fig. 10 nimmt die Kraft des piezoelektrischen Elements 2 ein Maximum an einem Punkt maximaler Auslenkung an, an welchem die Auslenkung des piezoelektrischen Elements in dem gekrümmten Zustand begrenzt wird, und wird zu Null, wenn die Auslenkung auf Null zurückgeführt wird. Die Richtung der Kraft der flachen Feder 1 wirkt der Rückführkraft des piezoelektrischen Elements 2 entgegen, bevor die flache Feder 1 von dem Punkt maximaler Auslenkung zu dem Schnappunkt S zurückkehrt, jedoch ist der Wert der Kraft kleiner als die von dem piezoelektrischen Element 2 ausgeübte Kraft. Infolgedessen ist die zusammengesetzte Kraft immer positiv, wie in Fig. 11 dargestellt ist, und wenn die Spannung weggenommen wird, kehrt das piezoelektrischen Element 2 die Krümmung der flachen Feder 1 um, so daß diese automatisch in ihren Ausgangszustand zurückkehrt.

Die Fig. 12 und 13 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Zweirichtungs-Betätigungselements, wobei Fig. 12 eine perspektivische Ansicht und Fig. 13 eine Seitenansicht zeigt, wobei ein Ende 1d der flachen Feder 1 fixiert ist und ein freies Ende 1e einen Betätigungs-Endbereich darstellt.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die linke und die rechte Rippe 1a und 1c der flachen Feder 1 in entgegengesetzter Richtung gekrümmt und piezoelektrische Elemente 2 (2A und 2B) sind auf die gegenüberliegenden Oberflächen der Mittelrippe 1b aufgeklebt. Die piezoelektrischen Elemente 2A und 2B sind in entgegengesetzte Richtungen im Bezug auf die flache Feder 1 polarisiert, wie dies durch die Pfeile in Fig. 13 angedeutet ist. Ein Leitungsdraht 3a ist mit den Elektroden beider piezoelektrischen Elemente 2A und 2B an einer Seite gegenüber der flachen Feder 1 verbunden, während der andere Leitungsdraht 3b mit der flachen Feder 1 verbunden ist.

Fig. 14 zeigt ein Federcharakteristik-Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Kraft und der Auslenkung für die piezoelektrischen Elemente 2A und 2B und die flache Feder 1 des vorgenannten piezoelektrischen Zweirichtungs- Betätigungselements zeigt, und Fig. 15 zeigt ein zusammengesetztes Diagramm davon.

Wenn eine elektrische Spannung auf das Betätigungselement aufgegeben wird, so daß das elektrische Potential in dem Leitungsdraht 3a gegenüber dem Leitungsdraht 3b positiv ist, zieht sich das piezoelektrische Element 2B in Dickenrichtung zusammen und dehnt sich in Längsrichtung aus, während das piezoelektrische Element 2A sich in Dickenrichtung ausdehnt und in Längsrichtung zusammenzieht. Im Ergebnis werden die piezoelektrischen Elemente 2A und 2B und die flache Feder 1 in Fig. 13 betrachtet konkav nach unten gebogen und das freie Ende 1e wird nach unten ausgelenkt. Der zu diesem Zeitpunkt herrschende Zustand ist in dem I. und IV. Quadranten der Fig. 14 und 15 dargestellt.

Wenn das elektrische Potential der zuzuführenden elektrischen Spannung umgekehrt wird, erfolgt die vorgenannte Auslenkung konkav nach oben, und der zu diesem Zeitpunkt herrschende Zustand ist in dem II. und III. Quadranten der Fig. 14 und 15 dargestellt.

Ein Wechsel der Kraft und Auslenkung bei jedem Auslenkvorgang ist derselbe wie bei dem anhand von Fig. 1 erläuterten Ausführungsbeispiel und aus diesem Grund wird auf eine Erläuterung an dieser Stelle verzichtet. In diesem Fall, wie in Fig. 15 dargestellt ist, wirkt eine größere Kraft als bei ausschließlicher Verwendung der piezoelektrischen Elemente 2A und 2B in beiden Richtungen, nachdem der Schnappunkt S jeweils überschritten wurde, was mit der strichpunktierten Linie veranschaulicht ist.

Fig. 16 zeigt ein Ausführungsbeispiel, gemäß welchem nur eine einzige gekrümmte Rippe 1a vorgesehen ist. Um gemäß diesem Ausführungsbeispiel eine Krümmung der Rippe 1a zu erzielen, wird ein Endbereich 7 der Rippe 1b wie in der Zeichnung dargestellt zusammengepreßt, so daß sich die Länge der Rippe 1b verringert. Die sonstige Konstruktion und der Betrieb, abgesehen von den gerade erläuterten Unterschieden, sind im wesentlichen identisch zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und aus diesem Grund wird die nähere Erläuterung an dieser Stelle weggelassen.

Fig. 17 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einer Einrichtung zum Einstellen des Schnappvorgangs der flachen Feder 1. Fig. 18 zeigt ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen Auslenkung und Kraft darstellt.

Wie anhand der strichpunktierten Linie in Fig. 18 gezeigt ist, unter der Annahme, daß der Schnappunkt der flachen Feder 1 bei dem Punkt "S" liegt und die jeweiligen Kräfte in dem piezoelektrischen Element 2 und der flachen Feder 1 sich bei dem Punkt B im Gleichgewicht befinden, welcher in der Zeichnung vor dem Punkt S liegt, wird der Schnappvorgang (die Umkehrung) der flachen Feder 1 unmöglich und der Vorgang endet an diesem Punkt.

In einem solchen Fall wird der Mittelteil der gekrümmten Rippe 1a leicht nach oben geschoben durch Betätigung der Einstellschraube 9, während das freie Ende 1e unter Verwendung des Anschlag 8 wie in Fig. 17 gezeigt geschoben wird, so daß der Schnappunkt an eine von dem Punkt S entfernte Stelle in Fig. 18 verschoben wird, beispielsweise zu dem Punkt S′. Im Ergebnis übersteigt die Kraft des piezoelektrischen Elements 2 die der flachen Feder 1 an dem Schnappunkt (dem Punkt S′), so daß der Schnappvorgang durchgeführt werden kann.

Die Impuls-Erzeugungseinrichtung ist derart gestaltet, daß das piezoelektrische Element an einem Teil der flachen Feder befestigt ist, welche eine Schnappfedercharakteristik aufweist, so daß die mechanische Bewegung des piezoelektrischen Elements leicht in ein elektrisches Signal umgewandelt werden kann, während als Vorteil des piezoelektrischen Elements ausgenutzt wird, daß keine äußere Energiequelle erforderlich ist und beispielsweise ein Druckknopfschalter eines Impuls- Erzeugungssystems mit geringen Kosten hergestellt werden kann.

Das piezoelektrische Betätigungselement ist durch eine Kombination eines piezoelektrischen Elements und einer flachen Feder mit einer Schnappfedercharakteristik ausgebildet. Aus diesem Grund, weil die Federkraft der flachen Feder an dem Schnappunkt umgekehrt wird, addiert sich diese zu der Kraft, welche auf das piezoelektrische Element ausgeübt wird, und so kann eine große Kraft bei großer plötzlicher Auslenkung an dem Schnappunkt realisiert werden, ohne daß außen ein Mechanismus zum Erhöhen der Kraft vorgesehen sein muß.

Die obige Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen wurde zu Zwecken der Veranschaulichung und der Erläuterung gegeben. Dies beschränkt jedoch nicht den Schutzumfang und Modifikationen und Varianten sind im Rahmen der obigen Lehre möglich oder ergeben sich aus Gründen der praktischen Realisierung. Die Ausführungsbeispiele wurden ausgewählt und beschrieben, um das Prinzip der Erfindung zu erläutern und die praktische Anwendung, um einen Fachmann in die Lage zu versetzen, die Erfindung in verschiedenen Ausführungsbeispielen praktisch zu nutzen. Der Schutzumfang soll durch die nachfolgenden Patentansprüche und deren Äquivalente bestimmt werden.

Claims (8)

1. Piezoelektrische Einrichtung mit: einer flachen Feder mit einer Mehrzahl von gekrümmten seitlichen Rippen, wobei die gekrümmten seitlichen Rippen ein erstes und ein zweites Ende aufweisen, einer mittleren Rippe, welche ein erstes und ein zweites Ende und eine untere sowie eine obere Fläche aufweist und zwischen den gekrümmten seitlichen Rippen angeordnet ist, einem fixierten ersten Endteil, welcher das erste Ende der mittleren Rippe mit den ersten Enden der Mehrzahl von gekrümmten seitlichen Rippen verbindet, und einem freien zweiten Endteil, welcher das zweite Ende der mittleren Rippe mit den zweiten Enden der Mehrzahl von gekrümmten seitlichen Rippen verbindet, wobei die gekrümmten seitlichen Rippen und die mittlere Rippe parallel zueinander verlaufen; und einem piezoelektrischen Element, welches an der unteren Fläche der mittleren Rippe befestigt ist.

2. Piezoelektrische Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Krümmungsbögen der gekrümmten seitlichen Rippen in die gleiche Richtung gekrümmt sind.

3. Piezoelektrische Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Krümmungsbögen der gekrümmten seitlichen Rippen in die entgegengesetzte Richtung gekrümmt sind.

4. Piezoelektrische Einrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Mehrzahl von lamellenartigen piezoelektrischen Elementen auf der mittleren Rippe der flachen Feder befestigt sind.

5. Piezoelektrische Einrichtung nach Anspruch 3, wobei darüberhinaus ein zweites piezoelektrisches Element auf der oberen Fläche der mittleren Rippe der flachen Feder befestigt ist.

6. Piezoelektrische Einrichtung mit:
einer flachen Feder mit einer gekrümmten seitlichen Rippe, wobei die gekrümmte seitliche Rippe ein erstes und ein zweites Ende aufweist, einer flachen Rippe, welche ein erstes und ein zweites Ende aufweist, einem fixierten ersten Endteil, welcher das erste Ende der flachen Rippe mit dem ersten Ende der gekrümmten Rippe verbindet, und einem freien zweiten Endteil, welcher das zweite Ende der flachen Rippe mit dem zweiten Ende der gekrümmten Rippe verbindet, wobei die gekrümmte Rippe und die flache Rippe im wesentlichen parallel zueinander verlaufen;
und einem piezoelektrischen Element, welches an der flachen Rippe der flachen Feder befestigt ist.

7. Piezoelektrische Einrichtung nach Anspruch 6, wobei darüberhinaus eine Einstelleinrichtung zum Einstellen einer Schnapp-Federcharakteristik der flachen Feder vorgesehen ist.

8. Piezoelektrische Einrichtung nach Anspruch 7, wobei die Einstelleinrichtung eine Einstellschraube aufweist, welche mit dem Krümmungsbogen der gekrümmten Rippe in Kontakt steht, und einen Anschlag aufweist, welcher die Bewegung des freien zweiten Endteils begrenzt.