DE3323708C1 - Piezoelektrischer Glockenschlagmechanismus - Google Patents

Description

• Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen ersten Glockenschlagmechanismus mit runder Piezoscheibe als piezoelektrischem Schwingsystem und mit getrenntem Klöppelschwingsystem, F i g. 2 einen zweiten Glockenschlagmechanismus mit seitlich schwingendem Piezostab, der mit dem Klöppelschwingsystem verbunden ist, Fig.3 die schematischen Schwingungsformen des Glockenschlagmechanismus nach F i g. 2, F i g. 4 einen dritten Glockenschlagmechanismus, mit einem in Längsrichtung schwingenden Piezostab und einer speziellen Klöppelfeder und F i g. 5 einen vierten Glockenschlagmechanismus mit einem in Längsrichtung schwingenden geschichteten Piezokeramikkörper, der Teil des Klöppelschwingsystems ist.
• Die Ausführungsbeispiele betreffen niederfrequente Klöppelsysteme, bei denen die Leistungsaufnahme durch ein zweites, mit höherer Frequenz schwingendes System erfolgt, das seine mechanische Schwingungsenergie auf das niederfrequente Klöppelsystem impulsweise überträgt oder bei denen durch Sandwichanordnungen von piezokeramischen Flächen die Kapazität, und somit die Leistungsaufnahme und -abgabe, erhöht wird.
• Wegen der hohen Eigenfrequenz entsteht beim Anschwingen des hochfrequenten Schwingungssystems eine hohe elektrische Leistungsaufnahme. Etwa diese Leistung wird beim Stoß auf das niederfrequente Klöppelschwingungssystem übertragen. Nach dem Stoß erfolgt erneut das o. g. Anschwingen mit erneuter Speicherung von Schwingungsenergie.
• Zur Erhöhung der Leistung des hochfrequenten Schwingungsantriebssystems ist das Hintereinanderreihen zweckmäßig gepolter Piezoscheiben oder -stäben möglich. Die so entstehenden Piezoblöcke stellen in sich hochfrequente Schwingsysteme dar, die in Abwandlung der Energieübertragung durch Stoß auf ein niederfrequentes Schwingsystem auch direkt mit diesem gekoppelt sein können, wie nachfolgende Ausführungsbeispiele zeigen.
• F i g. 1 zeigt den Schnitt einer runden Piezoscheibe als piezoelektrisches Schwingsystem (1), wie sie für Sum meranwendungen bekannt ist. Die Eigenfrequenz liegt bei einigen kHz. Die Kontaktschicht (2) und die Federmembran (4) bilden die Stromzuführungen. Die runde Scheibe ist kreisförmig im Schwingungsknoten fest in einer Halterung (5) eingespannt. Im Schwingungsbauch ist eine gehärtete Stoßmasse (7) angebracht. Bei Anlegen einer entsprechend gepolten Spannung an die Drähte (6) dehnt sich die Piezoscheibe relativ zur Membranfeder aus und die Scheibe krümmt sich. Der Klöppel besteht aus der Klöppelfeder (10) und der gehärteten Klöppelmasse (8).
• Wird die Piezoscheibe vorzugsweise mit einer nahe der Resonanz befindlichen Frequenz angeregt, so erfährt die Stoßmasse (7) eine zunehmende Auslenkung und überträgt beim Stoß gegen die Klöppelmasse (8) ihre kinetische Energie auf den niederfrequenten Klöppel. Der Klöppel schwingt zur Glocke und beim Zurückschwingen wird er wegen der hohen Frequenz der Piezoscheibe (1) stets gegenphasig erneut angestoßen.
• Nach jedem Stoß gerät die Piezoscheibe (1) wieder mit zunehmenden Amplituden in Resonanz.
• Die Fig. 2 zeigt einen Klöppel, der aus der Klöppelfeder (10) und einem vorzugsweise parallel zur Feder verlaufenden Piezostab als piezoelektrisches Schwingsystem (1) mit Stoßmasse (7) besteht. Der Piezostab kann aus zwei gegensinnig polarisierten Keramikstük- ken (1) bestehen. Er krümmt sich seitlich bei Anlegen einer elektrischen Spannung an dessen Schwingungsknoten. Die Stoßmasse (7) ist im Schwingungsbauch angebracht. Der Piezostab wird nun mit einer Frequenz nahe seiner Eigenfrequenz mit einigen kHz angeregt.
• Die Stoßmasse (7) stößt bei genügend großer Schwingamplitude an die Glocke (9). Durch Rückstoß wird dabei der Klöppel in Schwingung versetzt. Die Eigenfrequenz des Klöppels ist mit 20 Hz relativ niedrig zum Piezostab. Sie ist von der insgesamt angekoppelten Masse und der Federkonstanten der Klöppelfeder (10) abhängig.
• Während einer Schwingungsperiode des Klöppels vollführt der Piezostab (1) mehrere Schwingungsperioden. Die Amplituden des Piezostabes nehmen dabei zu bis zur Berührung der Glocke, wobei erneut der Rückstoß erfolgt. Der Vorgang wiederholt sich beliebig oft.
• Fig. 3 zeigt die schematischen Schwingungsformen der beiden Schwingungssysteme nach F i g. 2.
• F i g. 4 zeigt einen einseitig fest eingespannten Piezostab als piezoelektrisches Schwingsystem (1), aus geschichteten, gegensinnig gepolten Keramikteilen. Bei sprunghafter Änderung des elektrischen Feldes ändert der Piezostab seine Länge. Er ist gekoppelt mit einer Klöppelfeder (10), welche am anderen Ende (12) mit einer ortsfesten Halterung (5) verbunden ist. Bei Auslenkung des Piezostabes vollführt die Klöppelmasse (8) über die Klöppelfeder (10) und deren seitlicher Auslenkung eine Schwingbewegung in der angedeuteten Pfeilrichtung.
• F i g. 5 zeigt einen geschichteten Piezokeramikkörper als piezoelektrisches Schwingsystem (1), der in bekannter Weise durch impulsweise Änderung des angelegten elektrischen Feldes in seiner Längsrichtung sprunghaft verändert werden kann. Der Piezokeramikkörper wird an Klöppelfedern (10) geführt und bildet somit ein Klöppelschwingsystem.
• Einseitig wird der Piezokeramikkörper (1) mittels der Klöppelfedern (10) gegen eine ortsfeste Halterung (5) vorgespannt. Die Berührfläche ist besonders hart. Wird nun impulsweise das Feld verändert, so stößt sich der Piezokeramikkörper infolge seiner Ausdehnung von der ortsfesten Halterung (5) ab und schlägt mit seiner Klöppelmasse (8) an die Glocke (9).
• Der Vorgang kann sich im Rhythmus der Eigenfrequenz des Schwingungssystems wiederholen. Bei Verwendung einer Rückkoppelelektrode kann die Auslösung des nachfolgenden Spannungsimpulses zum richtigen Zeitpunkt bei erneuter Berührung des Piezokeramikkörpers (1) mit der ortsfesten Halterung (5) erfolgen.
• - Leerseite -

Claims (10)

1. Patentansprüche: 1. Piezoelektrischer Glockenschlagmechanismus, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Schwingsystem ein piezoelektrisches Schwingsystem (1) hoher Eigenfrequenz ist, das durch Stoß Schwingungsenergie auf ein zweites Klöppelschwingsystem (7, 10; 8, 10) niedriger Eigenfrequenz überträgt.
2. 2. Piezoelektrischer Glockenschlagmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Schwingsystem (1) ein piezokeramisches Anregungssystem aus einer üblichen Piezoscheibe mit aufgebrachter Stoßmasse (7) ist.
3. 3. Piezoelektrischer Glockenschlagmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezokeramische Anregungssystem ortsfest angebracht ist und seine Schwingungsenergie stoßweise auf das fest eingespannte Klöppelschwingsystem (8, 10), bestehend aus der Klöppelfeder (10) und der Klöppelmasse (8), überträgt.
4. 4. Piezoelektrischer Glockenschlagmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Schwingsystem (1) auf der Klöppelfeder (10), vorzugsweise in den Schwingungsknoten, montiert ist.
5. 5. Piezoelektrischer Glockenschlagmechanismus nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das piezokeramische Schwingsystem (1) aus einem üblichen Biegeschwinger oder einem Piezostab mit aufgebrachter Stoßmasse (7) besteht.
6. 6. Piezoelektrischer Glockenschlagmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein ortsfestes piezoelektrisches Schwingsystem (1) aus einem in Längsrichtung schwingenden Piezostab, eine Klöppelfeder (11) und eine Klöppelmasse (8) vorgesehen sind, wobei die Anregung der Klöppelmasse (8) nahezu senkrecht zur Elongationsrichtung der Klöppelfeder (11) erfolgt.
7. 7. Piezoelektrischer Glockenschlagmechanismus nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezostab aus hintereinander angeordneten Scheiben besteht.
8. 8. Piezoelektrischer Glockenschlagmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Schwingsystem (1) aus einem in seiner Längsrichtung schwingenden, geschichteten Piezokeramikkörper besteht, der an einseitig ortsfest eingespannten Klöppelfedern (10) geführt ist und damit einen Klöppel des Klöppelschwingsystems (8, 10) darstellt, und daß dieser Klöppel gegen eine ortsfeste Halterung (5) durch die Klöppelfedern (10) in Schwingrichtung vorgespannt ist
9. 9. Piezoelektrischer Glockenschlagmechanismus nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Piezokeramikkörper aus schichtweise übereinander angeordneten piezoelektrischen Wandlerelementen besteht, die sich nach Anlegen einer Spannung in Schwingrichtung gleichsinnig ausdehen, und daß mindestens ein Wandlerelement einen Unterbre--cherkontakt besitzt, mittels dessen beim Rückschwingen und Anschlag an die ortsfeste Halterung (5) das elektrische Feld eingeschaltet wird.
10. 10. Piezoelektrischer Glockenschlagmechanismus nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Klöppelfedern (10) die Stromzuführung zum piezoelektrischen Schwingsystem (1) bilden.

    Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Glokkenschlagmechanismus gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

    Bei batteriebetriebenen Uhren besteht der Wunsch, das Glockenschlagsignal elektrisch zu erzeugen. Bekannte Verfahren basieren auf elektromagnetischen Prinzipien, wie z. B. in der DE-AS 21 49 008 beschrieben oder durch Anschlag der Glocke mittels eines durch einen Elektromotor bewegten Klöppeis. Auch ist ein piezoelektrischer Glockenschlagmechanismus bekannt zur Bewegung eines Klöppels mittels des piezoelektrischen Effekts. Hier wird durch Anlegen eines Feldes das Piezomaterial ausgedehnt oder zusammengezogen. Die parallel verlaufende Klöppelfeder ist nicht dehnbar und krümmt sich somit Die am Ende angebrachte Klöppelmasse wird zum Anschlag an eine Glocke gebracht. Die elektrische Erregung erfolgt bei diesem Verfahren mit der Resonanzfrequenz des Federsystems. Sie beträgt entsprechend den Hörgewohnheiten etwa 20 Hz. Alle bekannten piezoelektrischen Antriebssysteme funktionieren derart, daß Schwingsysteme durch direktes Aufbringen piezoelektrischer Keramik und Anschluß an eine der Eigenfrequenz nahen Wechselspannung angeregt werden. Beispiele dafür sind ein piezoelektrischer Motor nach der DE-OS 25 37 760 und ein Rasierapparatmotor nach der DE-OS 22 28 092 oder der bekannte Glockenschlagmechanismus, bei denen die piezoelektrischen Schichten seitlich auf der Klöppelfeder aufgebracht sind. Weitere Beschreibungen sind auch enthalten in dem Buch: Valvo, Piezoxide-Wandler, herausgegeben von der Valvo GmbH, Hamburg 1, Ausgabe Dez.1968,S.47.

    Die Anregung von piezoelektrischen Schwingsystemen weit außerhalb der Eigenfrequenz ist unwirtschaftlich, da trotz hoher Energiezufuhr nur kleine Schwingamplituden zu erzielen sind. Derartige Systeme werden als Schwingsysteme daher nicht eingesetzt.

    Der Antrieb nach der DE-OS 22 28 092 erzeugt zwar die doppelte Frequenz des eigentlichen Piezoschwingers. Durch die gewählte Mechanik ist dies möglich, ähnlich einer Übersetzung durch ein mechanisches Getriebe. Dabei handelt es sich jedoch um ein einziges Schwingsystem.

    Die aufgenommene elektrische Leistung dieser Systeme hängt von der Veränderung der Kapazität bei Verbiegung der Piezokeramik ab. Zur Erzielung einer großen Schlagleistung beim Klöppelsystem ist eine hohe elektrische Leistungsaufnahme erforderlich. Diese entsteht durch Veränderung der Kapazität beim Verbiegen der Piezokeramik. Da die Frequenz notwendigerweise klein sein muß, kann eine hohe Leistung nur durch große piezokeramische Flächen erzielt werden. Entsprechend sind derartige mechanische Aufbauten teuer und voluminös. Neben dem Preis sind wegen der zunehmenden Miniaturisierung batteriebetriebener Weckuhren solche Konstruktionen wenig geeignet.

    Der Anmeldung liegt die Aufgabe zugrunde, den eingangs erläuterten piezoelektrischen Glockenschlagmechanismus so weiterzubilden, daß damit eine verhältnismäßig große Schlagleistung bei einer Schlagfrequenz erreichbar ist, die kleiner ist als die Frequenz des antreibenden piezoelektrischen Schwingsystems.

    Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

    Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.