Die Patente US-4 740 726 und US-5 247 832 beschreiben einen Vibrationsresonator mit einer äußeren Röhre und einem inneren Schwingstab.

Für die Schwingungserregung ist jeweils ein piezo-elektrisches Element in einer Vertiefung des inneren Schwingstabs befestigt. Dieser Schwingstab weist eine rechteckige, längliche Form auf. Durch das piezo-elektrische Element wird ein Biegemoment auf den Stab ausgeübt, das in Verbindung mit der Ausgestaltung des Stabes zu Kippbewegungen führt.

Nachteilig an diesen Patenten ist, dass spezielle Anforderungen bzgl. der Ausgestaltung des Schwingstabs und der Anbringung des piezo-elektrischen Elements bestehen. Weiterhin wird der Schwingstab nicht direkt zu Kippschwingungen angeregt, sondern zu Biegeschwingungen, die durch die Geometrie des Schwingstabs und durch die Anbringung des piezo- elektrischen Elements am Schwingstab zu Kippschwingungen führen.

Das Prinzip dieser Schwingungserregung ist folgendes : Ein piezo-elektrisches Element wird auf der schwingfähigen Einheit oder auf einer passenden Membran aufgebracht, z. B. mit einer Klebeverbindung. Wird eine Spannung an das piezo-elektrische Element angelegt, so kommt es zu einer Längenänderung. Da zwar das piezo-elektrische Element mit der schwingfähigen Einheit verbunden ist, da die schwingfähige Einheit aber keine

Längenausdehnung erfährt, führt dies dazu, dass sich das piezo-elektrische Element und die schwingfähige Einheit verbiegen. Durch das Anlegen einer Wechselspannung ergibt sich somit eine Biegeschwingung. Durch die spezielle Ausgestaltung der schwingfähigen Einheit muss sinnvollerweise sichergestellt werden, dass es eine Vorzugsrichtung für diese Schwingung gibt. Weiterhin muss das piezo-elektrische Element so mit der schwingfähigen Einheit verbunden werden, dass die Längenänderung im Wesentlichen in die Biegebewegung übertragen wird. Gleichzeitig muss die Verbindung auch so beschaffen sein, dass sie auch im verbogenen Zustand noch hält. Eine bevorzugte Methode ist die Verbindung mittels eines Klebers. Kleber ermöglichen jedoch meist nur den Einsatz bis zu einer bestimmten Temperatur.

Alles in allem ist die Methode über den Umweg der Biegeschwingungen also sehr aufwendig. Es ist eine spezielle Ausgestaltung in Hinsicht auf die Art der Fixierung des piezo-elektrischen Elements und in Hinsicht auf die Geometrie der schwingfähigen Einheit erforderlich. Die bevorzugte Anbringung durch Kleber hat weiterhin das Problem, dass solche Klebstoffe nur bis zu bestimmten Temperaturen einsetzbar sind. Zudem ist es eine prinzipiell unbefriedigende Methode, dass die Kippbewegung der schwingfähigen Einheit nur über den Zwischenschritt der Biegeschwingung erzielt werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit einer Vorrichtung eine mechanisch schwingfähige Einheit zu Schwingungen anzuregen, bzw. deren Schwingungen zu detektieren, wobei die Vorrichtung möglichst einfach und kostengünstig sein soll. Dies auch in Bezug auf Einbau und in Bezug auf die Ausgestaltung der für die Anwendung benötigten übrigen Bauteile. Weiterhin soll die Vorrichtung ermöglichen, dass sich die Schwingungen direkt erzeugen, bzw. direkt empfangen lassen, ohne dass der Umweg über eine andere Bewegungsform genommen werden muss.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung derart gelöst, dass in der Antriebs- /Empfangseinheit mindestens ein Piezoantrieb vorgesehen ist, der über mindestens eine Außenfläche verfügt, die aus mindestens zwei Segmenten mit unterschiedlicher Polarisation besteht, wobei die Polarisationsrichtungen im Wesentlichen einander entgegengerichtet sind, dass mit der Außenfläche die mechanisch schwingfähige Einheit direkt oder indirekt verbunden ist, so dass die mechanisch schwingfähige Einheit zu einer Bewegung angeregt wird, bzw. so dass eine Bewegung der mechanisch schwingfähigen Einheit empfangen wird, wobei die Bewegung jeweils aus mindestens zwei unterschiedlichen Kraftkomponenten besteht.

Die Aufgabe wird ebenfalls erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in der Antriebs-/Empfangseinheit mindestens ein Piezoantrieb vorgesehen ist, der über mindestens eine Außenfläche verfügt, über die die mechanisch schwingfähige Einheit mit dem Piezoantrieb direkt oder indirekt verbunden ist, und die aus mindestens zwei Segmenten besteht, die durch das Anlegen eines elektrischen Signals an den Piezoantrieb mindestens zwei unterschiedliche Kraftkomponenten auf die mechanisch schwingfähige Einheit ausüben, die zusammen zu einer Bewegung der mechanisch schwingfähigen Einheit führen, bzw. die durch eine Bewegung der mechanisch schwingfähigen Einheit, die aus mindestens zwei unterschiedlichen Kraftkomponenten besteht, im Piezoantrieb ein elektrisches Signal erzeugen.

Vorteilhaft und technisch am einfachsten ist die Ausgestaltung, in der die Kraftkomponenten der Bewegung einander entgegengesetzt sind, bzw. bei der es sich bei den Kraftkomponenten um Zug und Druck und bei der es sich bei der Bewegung um eine Kippbewegung oder um eine Drehbewegung handelt.

Ein großer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass eine Kippbewegung erzeugt wird. Es handelt sich nicht mehr um eine Biegebewegung, deren Umsetzung in ein Kippmoment durch die spezielle Anbringung des Piezoantriebs an einem speziell geformten Stab realisiert wird. Dies ermöglicht es, dass die

mechanisch schwingfähige Einheit quasi beliebige Form haben und dass der Antrieb platzsparend und einfach montiert werden kann. Weiterhin entfallen die Kosten einer aufwendigen Verarbeitung und Vorbereitung.

Bei der zu bestimmenden oder zu überwachenden physikalischen Größe kann es sich beispielsweise um den Füllstand, um die Viskosität, um die Dichte oder um die Temperatur eines Mediums handeln.

Eine vorteilhafte Realisierung beinhaltet, dass die Segmente symmetrisch zueinander ausgestaltet sind. Es kann sich beispielsweise um zwei Hälften eines Zylinders handeln. Die Idee ist, dass die Segmente quasi miteinander kurzgeschlossen sind, so dass sich z. B. die Wirkungen von Kräften, die auf die Seite des Piezoantriebs wirken, kompensieren. Gleichzeitig werden auch pyroelektrische Effekte verhindert, wodurch der Antrieb auch in explosionsgefährdeten Bereichen einsetzbar ist.

Vorteilhaft sind die Ausgestaltungen, in denen es sich bei dem Piezoantrieb um mindestens ein piezo-elektrisches Element oder um mindestens einen Stapel bestehend aus piezo-elektrischen Elementen handelt. Zur Anordnung von piezo-elektrischen Elementen in einem Stapel siehe z. B. das Patent DE 198 41 597. Die dünneren piezo-elektrischen Elemente haben den Vorteil, kostengünstiger zu sein als z. B. höhere Zylinder. Um eine Krafterhöhung zu ermöglichen, lassen sich diese Elemente jedoch passend zu Stapeln verbinden. Vorteilhaft dafür ist, wenn die piezo-elektrischen Elemente im Stapel derartig angeordnet sind, dass sich mindestens zwei Segmente gleicher Polarisation einander gegenüber befinden und sich im Wesentlichen gegenseitig bedecken, und dass sich mindestens eine Außenfläche ergibt, die aus mindestens zwei Segmenten mit unterschiedlicher Polarisation besteht.

Gleiches gilt, wenn die piezo-elektrischen Elemente im Stapel derartig einander gegenüber liegen, dass sich die Segmente im Wesentlichen bedecken, die die gleiche Kraftkomponente ausüben bzw. empfangen, und wenn es mindestens eine Außenfläche mit mindestens zwei Segmenten gibt,

die unterschiedliche Kraftkomponenten ausüben und empfangen. Dies entspricht jeweils einer Anordnung, in der die piezo-elektrischen Elemente im Stapel mechanisch in Reihe und elektrisch parallel geschaltet sind. Für die effektive Benutzung der piezo-elektrischen Elemente im Stapel ist mindestens ein elektrisch leitfähiges Bauteil zwischen ihnen vorgesehen, so dass die Segmente der Außenflächen der piezo-elektrischen Elemente im Stapel miteinander kurzgeschlossen sind und/oder dass die Außenflächen der piezo- elektrischen Elemente, die sich im Stapel einander gegenüberliegen, miteinander kurzgeschlossen sind. Dabei kann eine Verbindungsvorrichtung vorgesehen sein, so dass die piezo-elektrischen Elemente im Stapel unter Druckspannung stehen. Andere Befestigungsmöglichkeiten sind Klebe-, Löt- und/oder Schweißschichten zwischen den Elementen und/oder eine Verschraubung.

Die geometrische Ausgestaltung des Piezoantriebs ist kaum einer Begrenzung unterworfen. Er kann scheiben-oder ringförmig, rund oder eckig sein. Wichtig ist nur, dass sich eine Außenfläche ergibt mit mindestens zwei Segmenten mit unterschiedlicher Polarisation oder dass sich eine Außenfläche ergibt, die mindestens zwei unterschiedliche Kraftkomponenten erzeugen kann. Für einen kostengünstigen und platzsparenden Einbau des Piezoantriebs ist es möglich, im Piezoantrieb Bohrungen zur Fixierung und/oder zur Durchführung von elektrischen Bauteilen, z. B. Drähte, anzubringen.

Um mit dem elektrischen Signal eine Kippbewegung zu erzeugen, bzw. um eine Kippbewegung in ein elektrisches Signal zu verwandeln, ist auf der Außenfläche des Piezoantriebs mindestens eine Elektrode vorgesehen, welche mit mindestens zwei Segmenten mit unterschiedlicher Polarisation leitend verbunden ist, bzw. welche mit zwei Segmenten verbunden ist, die unterschiedliche Kraftkomponenten auf die mechanisch schwingfähige Einheit ausüben, bzw. von ihr empfangen. Eine andere Möglichkeit, je nach Platz und Ausgestaltungsspielraum ist, dass auf der Außenfläche des Piezoantriebs

mindestens eine erste Elektrode und mindestens eine zweite Elektrode vorgesehen sind, wobei die erste Elektrode mindestens mit einem ersten Segment einer ersten Polarisation leitend verbunden ist, und wobei die zweite Elektrode mindestens mit einem zweiten Segment einer zweiten Polarisation leitend verbunden ist, wobei die erste Polarisation des ersten Segments unterschiedlich zu der zweiten Polarisation des zweiten Segments ist, und wobei die erste und die zweite Elektrode elektrisch miteinander verbunden sind. Eine andere Möglichkeit ist, dass die erste Elektrode mindestens mit einem ersten Segment, das eine erste Kraftkomponente ausübt und empfängt, leitend verbunden ist, und dass die zweite Elektrode mindestens mit einem zweiten Segment, das eine zweite Kraftkomponente ausübt und empfängt, leitend verbunden ist, wobei die erste Kraftkomponente des ersten Segments unterschiedlich zu der zweiten Kraftkomponente des zweiten Segments ist, und wobei die erste und die zweite Elektrode elektrisch miteinander verbunden sind. Es muss also nur ermöglicht werden, dass unterschiedliche Segmente des Piezoantriebs das gleiche Signal erreichen, wobei diese Segmente aufgrund des Signals mit unterschiedlichen Kraftkomponenten auf die mechanisch schwingfähige Einheit reagieren, bzw. umgekehrt muss das Signal, das sich aus den unterschiedlichen Kraftkomponenten ergibt, passend abgeleitet werden. Zur Verbindung zwischen Elektrode und Piezoantrieb ist sinnvollerweise mindestens eine Klebe-, Löt-und/oder Schweißschicht und/oder eine Verschraubung vorgesehen.

Eine sinnvolle Ausbildung beinhaltet, dass es sich bei dem Piezoantrieb um mindestens zwei piezo-elektrische Elemente oder um mindestens zwei Stapel bestehend aus piezo-elektrischen Elementen oder um mindestens ein piezo- elektrisches Element und mindestens einen Stapel handelt, wobei ein piezo- elektrisches Elemente oder ein Stapel dazu dient, die mechanisch schwingfähige Einheit zu Schwingungen anzuregen, und wobei ein anderes piezo-elektrisches Element oder ein anderer Stapel die Schwingungen der mechanisch schwingfähigen Einheit empfängt. Hierbei dient also ein Teil des

Piezoantriebs der Erregung der Schwingungen und ein anderer Teil dient dem Empfang der Schwingungen. Eine Möglichkeit ist, zwischen diese beiden funktionalen Abschnitte zur mechanischen Entkopplung eine Trennscheibe anzubringen.

Weiterhin ist in einer vorteilhaften Ausbildung zwischen dem Piezoantrieb und der mechanisch schwingfähigen Einheit mindestens eine Klebe-, Löt- und/oder Schweißschicht und/oder eine Verschraubung vorgesehen. Diese Verbindung dient der Fixierung der schwingfähiger Einheit mit dem Antrieb und soll gleichzeitig die Kraftübertragung gewährleisten.

Sinnvolle und von der Praxis her bekannte und erprobte Ausgestaltungen beinhalten, dass es sich bei der mechanisch schwingfähigen Einheit um eine Schwinggabel oder um einen Einstab handelt, wobei die Schwinggabel oder der Einstab an einer Basiseinheit befestigt ist. Dies kann z. B. dadurch geschehen, dass die mechanisch schwingfähige Einheit an einer Membran befestigt ist. Bei der Basiseinheit handelt es sich meist um den Gehäuseteil, der an dem Behälter befestigt wird, in dem sich das Medium befindet, dessen physikalische Größe bestimmt und/oder überwacht werden soll.

Zunächst sollen Anwendungen des Piezoantriebs bei Einstäben diskutiert werden. Eine Ausgestaltung besteht aus einem inneren Schwingstab innerhalb einer äußeren Röhre. Der inneren Stab ist mit einem Ende an einer Fixiereinheit in der Basiseinheit befestigt. Dies ist das feste Ende des inneren Stabes. Das andere Ende des inneren Stabes ist als freies Ende ausgestaltet.

Der Piezoantrieb ist vorteilhaft innerhalb der Basiseinheit befestigt und regt somit den inneren Stab, die äußere Röhre oder den inneren Stab und die äußere Röhre zu Schwingungen an, bzw. der Piezoantrieb empfängt die entsprechenden Schwingungen. Dazu sieht es eine Ausgestaltung vor, dass der Piezoantrieb am Fixierelement des inneren Stabes mit dem inneren Stab verbunden ist, wobei der Piezoantrieb auf der Seite des Fixierelements

angebracht ist, die dem freien Ende des inneren Stabes zugewandt oder abgewandt ist.

Eine weitere Umsetzung beinhaltet, dass ein zweites Fixierelement in der Basiseinheit vorgesehen ist, an dem die äußere Röhre fixiert ist. Dies ermöglicht es, dass der Piezoantrieb zwischen dem Fixierelement des inneren Stabes und dem zweiten Fixierelement der äußeren Röhre befestigt ist. Somit kann der Piezoantrieb auch die äußere Röhre zu Schwingungen anregen, bzw. dessen Schwingungen empfangen. Dies ist besonders dann wichtig, wenn die äußere Röhre z. B. durch Kontakt mit einem Schüttgut blockiert ist.

Würde in diesem Fall durch die Konstruktion nur der innere Stab zu Schwingungen angeregt werden, so ließe er sich auch trotz der Blockierung der äußeren Röhre zu Schwingungen anregen und es könnte zu Fehlinterpretationen der Messergebnisse kommen. Diese Fehlinterpretation wird umgangen, indem auch die äußere Röhre zu Schwingungen angeregt wird.

Eine andere Möglichkeit ist, dass es sich bei der mechanisch schwingfähigen Einheit um einen inneren Schwingstab innerhalb einer äußeren Röhre handelt, wobei die äußere Röhre mit einem Ende an der Basiseinheit fixiert und am anderen Ende mit einer Kappe versehen ist, und wobei der innere Schwingstab an dieser Kappe befestigt ist. Es handelt sich also um einen Einstab, der quasi an einem Ende eingefaltet worden ist. Bei dieser Umsetzung bietet es sich an, dass der Piezoantrieb zwischen dem inneren Stab und der Kappe fixiert wird.

Eine andere Realisierung ist, dass es sich bei der mechanisch schwingfähigen Einheit um einen Einstab mit einem Kompensationsgewicht und zwei Lagerungspunkten handelt, wobei sich ein Ende des Stabes innerhalb einer Basiseinheit befindet. Hierbei ist es sinnvoll, wenn der Piezoantrieb am Einstab innerhalb der Basiseinheit hinter dem Kompensationsgewicht befestigt ist.

Eine andere Klasse der mechanisch schwingfähigen Einheiten sind Schwinggabeln mit zwei Gabelzinken, wobei beide an der Basiseinheit fixiert sind. Bei der Basiseinheit kann es sich ebenfalls beispielsweise um eine Membran handeln. Im folgenden werden einige Möglichkeiten der Fixierung der Gabelzinken an der Basiseinheit aufgezählt. Es lassen sich beide Gabelzinken getrennt an der Basiseinheit z. B. durch einzelne Scheiben fixieren. Es lassen sich aber auch beide Gabelzinken durch eine gemeinsamen Scheibe fixieren. Eine Möglichkeit ist auch, dass die beiden Gabelzinken innerhalb der Basiseinheit mit einem gemeinsamen U-förmigen Verbindungsstück fixiert sind. Bei diesen Realisierungen sind jeweils zwei Piezoantriebe vorgesehen, die jeweils mit den Gabe ! zinken verbunden sind.

Eine andere Weiterbildung mit nur einem Piezoantrieb ergibt sich, wenn beide Gabelzinken innerhalb der Basiseinheit durch das Querteil eines gemeinsamen T-förmigen Verbindungsstücks fixiert sind. Dann lässt sich der Piezoantrieb innerhalb der Längsseite des T-förmigen Verbindungsstücks zwischen der ersten und der zweiten Gabelzinke anbringen, und nur ein Piezoantrieb reicht aus, um beide Gabelzinken schwingen zu lassen.

Die zuvor genannten Ausgestaltungen beziehen sich jeweils auf Piezoantriebe, die jeweils nur zwei Segmente mit unterschiedlichen Polarisationen oder mit unterschiedlichen Kraftkomponenten aufwiesen. Eine weitere Ausgestaltung ist, dass auf einer Außenfläche des Piezoantriebs vier Segmente mit zwei unterschiedlichen Polarisationen bzw. mit zwei Kraftkomponenten vorgesehen sind, wobei die Polarisationen bzw.

Kraftkomponenten der benachbarten Segmente jeweils unterschiedlich sind.

Dieser Piezoantrieb lässt sich dann sehr effektiv ebenfalls bei einer Schwinggabel mit zwei Gabelzinken anwenden, wenn jeweils die Segmente gleicher Polarisation bzw. gleicher Kraftkomponente über den Gabelzinken positioniert sind.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt : Fig. 1 : prinzipieller Aufbau eines Teiles der Vorrichtung ; Fig. 2 : einen Aufbau eines piezo-elektrischen Elements mit zwei Segmenten ; Fig. 3 : einen Aufbau eines piezo-elektrischen Elements mit zwei Segmenten und mit einer Bohrung ; Fig. 4 : das beispielhafte Erzeugen einer Kippbewegung durch einen Stapel aus zwei piezo-elektrischen Elementen ; Fig. 4a : einen vergrößerten Ausschnitt von Fig. 4 ; Fig. 5 : die perspektivische Darstellung einer Art der Anordnung zweier piezo-elektrischer Elemente mit zwei Segmenten in einem Stapel ; Fig. 6 : die Seitenansicht eines Stapels aus zwei piezo-elektrischen Elementen mit Elektroden ; Fig. 7 : die Verdeutlichungen einiger möglicher Kräfte auf ein piezo-elektrisches Element und der resultierenden Signale ; Fig. 8 : einen Einstab als mechanisch schwingfähige Einheit, bei dem sich ein innerer Stab in einer äußeren Röhre befindet und bei dem der innere Stab am festen Ende der äußeren Röhre fixiert ist ;

Fig. 9 : vgl. Figur 8, eine andere Art der Befestigung des Piezoantriebs ; Fig. 10 : vgl. Figur 8, eine weitere Art der Befestigung des Piezoantriebs ; Fig. 11 : einen Einstab als mechanisch schwingfähige Einheit, bei dem sich ein innerer Stab in einer äußeren Röhre befindet und an der Endkappe der äußeren Röhre fixiert ist ; Fig. 12 : einen Einstab mit Zusatzgewicht und zwei Auflagepunkten ; Fig. 13 : eine Gabel mit zwei Gabelzinken als mechanisch schwingfähige Einheit mit zwei Piezoantrieben ; Fig. 14 : vgl. Figur 13, eine andere Art der Fixierung der Gabelzinken ; Fig. 15 : vgl. Figur 13, eine weitere Art der Fixierung der Gabelzinken ; Fig. 16 : eine Gabel mit zwei Gabelzinken als mechanisch schwingfähige Einheit mit einem Piezoantrieb ; Fig. 17 : einen Aufbau eines piezo-elektrischen Elements mit vier Segmenten und mit einer Bohrung ; Fig. 18 : die perspektivische Darstellung einer Art der Anordnung zweier piezo-elektrischer Elemente mit vier Segmenten für einen Stapel ;

Fig. 19 : eine Gabel mit zwei Gabelzinken als mechanisch schwingfähige Einheit mit einem Piezoantrieb, der vier Segmente aufweist ; und Fig. 20 : einen Schnitt durch den Aufbau in Figur 19.

Figur 1 zeigt die in der Erfindung behandelten Bestandteile der Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der physikalischen Größe eines Mediums : mechanisch schwingfähige Einheit 100 und Antriebs- /Empfangseinheit 101. Das Beispiel zeigt hier als mechanisch schwingfähige Einheit 100 eine Schwinggabel 103. Dies soll jedoch keinerlei Beschränkung darstellen, da im Weiteren z. B. auch Einstäbe als mechanisch schwingfähige Einheiten 100 diskutiert werden.

In den Figuren Fig. 2 und Fig. 3 ist der Aufbau einer vorteilhaften Ausführungsform eines piezo-elektrischen Elements 1 dargestellt. Als Beispiel findet sich eine runde Scheibe, deren Außenfläche 102 die zwei Segmente 2, 3 aufweist, deren Polarisationen einander entgegengesetzt sind (hier dargestellt durch Plus + und Minus-). Für das Durchführen von Bauteilen oder für das Fixieren des Elements 1 ist es möglich, eine oder mehrere Bohrungen 4 in der Scheibe anzubringen (Fig. 3). Die Tatsache, dass hier und im folgenden die Piezoantriebe, resp. die piezo-elektrischen Elemente 1 rund dargestellt sind, soll keine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die geometrische Ausgestaltung der piezo-elektrischen Elemente 1 und des Piezoantriebs unterliegt keinerlei Beschränkung. Es kann sich also z. B. auch um eckige Scheiben o. ä. handeln. Es sollte nur sichergestellt sein, dass die mechanisch schwingfähige Einheit mit mindestens zwei Segmenten 2,3 mit unterschiedlicher Polarisation, bzw. mit unterschiedlicher Kraftkomponente verbunden ist.

In Fig. 4 ist dargestellt, wie beispielsweise ein Stapel 5 aus zwei piezo- elektrischen Elementen 1 einen Einstab 6 direkt zu Kippschwingungen anregt.

An einer Basiseinheit 7 ist der Stapel 5 angebracht. An und in diesem Stapel 5 befinden sich drei elektrisch leitfähige Bauteile 8. Mit dem Stapel 5 ist ein Einstab 6 verbunden. Der vergrößerte Ausschnitt A (Fig. 4a) zeigt den Bereich um den Stapel 5. Wird eine Spannung an die elektrisch leitfähigen Bauteile 8 angelegt (die leitfähigen Bauteile sind wegen der Übersicht in dem vergrößerten Ausschnitt nicht dargestellt), so zieht sich der Stapel 5 an der einen Seite zusammen und dehnt sich an der anderen aus. Somit wirkt auf den Einstab 6 eine Zug-und eine Druckkraft. Diese beiden Kraftkomponenten führen dazu, dass der Einstab 6 ein direktes Kippmoment erfährt. Dabei wird die Kippbewegung in diesem Beispiel in einer Ebene ausgeführt, die senkrecht auf der Verbindungsebene von Stapel 5 und Einstab 6 steht. Durch das Anlegen einer Wechselspannung führt der Einstab 6 eine Schwingung in dieser durch die Geometrie spezifizierten Ebene aus.

Figur 5 demonstriert, wie zwei piezo-elektrische Elemente 1 angeordnet sein können, so dass sich ein Stapel 5 als Piezoantrieb ergibt, wie er z. B. in Fig. 4 dargestellt ist. Ein Vorteil des Stapels 5 liegt darin, dass sich eine Krafterhöhung ergibt, wodurch sich größere Amplituden erzeugen lassen als bei der Benutzung von dünneren piezo-elektrischen Elementen 1. Weiterhin ist-bis zu einer gewissen Höhe-ein Stapel 5 aus flachen piezo-elektrischen Elementen 1 preisgünstiger als ein einziges piezo-elektrisches Element 1 gleicher Höhe. Die beiden piezo-elektrischen Elemente 1 sind so angeordnet, dass sich jeweils die Segmente 2,3 mit gleicher Polarisation, bzw. mit gleicher Kraftkomponente gegenüberliegen. Dies kann dadurch verdeutlicht werden, dass quasi zwei Hände Applaus klatschen. Zwischen den beiden Elementen 1 befindet sich ein elektrisch leitfähiges Bauteil 9, welches die Aufgabe erfüllt, die Segmente 2, 3 der Elemente 1 und die Außenflächen 102 innerhalb des Stapels 5 kurzzuschließen. Eine Möglichkeit für das elektrisch leitfähige Element 9 ist z. B. eine Lötfahne.

In Figur 6 findet sich eine Seitenansicht eines Stapels 5 zweier piezo- elektrischer Elemente 1. Die Polarisationen, bzw. Kraftkomponenten sind hier

mit Pfeilen angedeutet. Auch hier liegen gleiche Polarisationen, bzw.

Kraftkomponenten einander gegenüber. Zwischen den Elementen 1 befindet sich eine Elektrode 8, die mit den piezo-elektrischen Elementen 1 über die Verbindungselemente 10 wie z. B. Kleber, Lötstellen oder Schweißstellen verbunden ist. Alternativ wäre auch eine Vorrichtung möglich, durch die die piezo-elektrischen Elemente 1 unter Druckspannung stehen. An den beiden Außenflächen 102 des Stapels befinden sich zwei weitere Elektroden 8, die miteinander verbunden sind. Dabei wechseln sich zum Betreiben des Stapels 5 als Piezoantriebs die Vorzeichen der an den Elektroden 8 anliegenden Spannungen jeweils ab, so dass sich eine elektrische Parallelschaltung ergibt.

In Figur 7 ist ein großer Vorteil der piezo-elektrischen Elemente der Erfindung demonstriert. Dargestellt ist ein solches Element 1 mit den beiden Elektroden 8. Darunter ist die Wirkung unterschiedlicher Kräfte (gekennzeichnet durch die Pfeile) auf dieses Element verdeutlicht. Symmetrische Kräfte heben sich jeweils gegenseitig in ihrer Wirkung auf und erzeugen somit kein Signal.

Einzig eine Kippbewegung auf der Außenseite des piezo-elektrischen Elements 1 mit den Segmenten 2,3 mit einander entgegengesetzter Polarisation ergibt ein Signal. Bei der Kippbewegung handelt es sich um eine Bewegung, die sich z. B. in die beiden Kraftkomponenten Druck und Zug zerlegen lässt. Das Signal ist hier bezeichnet mit 2 * E, weil sich durch die Kräfte, die von oben und unten auf das piezo-elektrische Element 1 wirken, ein doppelt so großes elektrisches Potential ergibt wie bei der Kraft durch die Kippbewegung nur auf einer Seite. Somit ist der Piezoantrieb unempfindlich gegenüber den meisten Störkräften.

In den Figuren Fig. 8 bis Fig. 12 sind Beispiele verdeutlicht, wie der Piezoantrieb 16 mit zwei Segmenten 2,3 jeweils zur Schwingungserregung eines Einstabs 6 verwendet werden kann. In allen folgenden Figuren verdeutlichen die Pfeile die wirkenden Kräfte. Bei den Kräften handelt es sich bei den Piezoantrieben 16 um Druck und Zug ; bei den mechanisch schwingfähigen Einheiten 6 handelt es sich um die aus Druck und Zug

resultierende Kippbewegung. Gleichzeitig wird durch diese Pfeile auch die Lage der Segmente 2,3 des Piezoantriebs 16 verdeutlicht. Dabei handelt es sich jedoch nur um einige Beispiele, die einige bevorzugte Realisierungen verdeutlichen sollen.

Die Figuren Fig. 8 bis Fig. 10 zeigen jeweils einen Einstab 6, bei dem sich ein innerer Stab 11 in einer äußeren Röhre 12 befindet. Ein Ende des inneren Stabes 11 ist als festes Ende 13 an einem Fixierelement, z. B. an einer Membran 14 innerhalb der Basiseinheit 7 befestigt. Das andere Ende des inneren Stabes 11 ist als freies Ende 15 ausgebildet. Der Piezoantrieb 16 ist über eine Schraubverbindung 17 am Fixierelement 14 mit dem inneren Stab 11 verbunden.

In Figur 8 befindet sich der Piezoantrieb 16 auf der Seite des Fixierelements 14, die dem freien Ende 15 des inneren Stabes 11 zugewandt ist.

In Figur 9 befindet er sich auf der abgewandten Seite. In beiden Fällen wird durch den Piezoantrieb 16 nur der innere Stab 11 zu Schwingungen angeregt.

Dies kann nachteilig sein, wenn die äußere Röhre 12 z. B. durch Schüttgut blockiert ist. In diesen Fällen kann zwar möglicherweise die äußere Röhre 12 nicht schwingen, aber dennoch lässt sich die innere Röhre 11 zu Schwingungen anregen, was zu Fehlinterpretationen führt.

In Figur 10 ist daher die äußere Röhre 12 über die Befestigungseinheit 18 ebenfalls mit dem Piezoantrieb 16 verbunden, so dass die äußere Röhre 12 ebenfalls zu Schwingungen angeregt werden kann.

In Figur 11 ist die äußere Röhre 12 an einem Ende 19 mit der Basiseinheit 7 verbunden und am anderen Ende 20 mit einer Kappe 21 verschlossen. An dieser Kappe 21 sind über eine Schraubverbindung 17 der innere Stab 11 und der Piezoantrieb 16 fixiert. Bei dieser Ausgestaltung handelt es sich also um einen Einstab 6, dessen Ende quasi eingefaltet worden ist.

Figur 12 zeigt einen Einstab 22 mit einem Zusatzgewicht 23, wobei der Einstab 22 zwei Auflagepunkte 24 in der Basiseinheit 7 aufweist. Hierbei ist

der Piezoantrieb 16 an dem Ende 26 des Einstabs 22 befestigt, das sich innerhalb der Basiseinheit 7 befindet.

Ein Einstab 6 benötigt nur das Kippmoment oder die Drehkraft in seiner Wurzel, d. h. in dem Bereich, an welchem er mit der Basiseinheit 7 verbunden ist. Für den Antrieb einer Schwinggabel 103 mit zwei Gabelzinken 27 ist ggf. eine kompliziertere Kräfteverteilung erforderlich.

In den Figuren Fig. 13 bis Fig. 16 ist die Anwendung bei Schwinggabeln 103 mit zwei Gabelzinken 27 als mechanisch schwingfähiger Einheit demonstriert.

In den Figuren Fig. 13 bis Fig. 15 sind jeweils zwei Piezoantriebe 16 erforderlich. Die Ausgestaltung in Figur 16 benötigt nur einen Piezoantrieb 16.

Bei diesen Figuren Fig. 13 bis Fig. 16 ist zunächst an Piezoantriebe 16 mit zwei Segmenten 2,3 gedacht. Eine Anwendung eines Piezoantriebs 16 mit mehreren Segmenten würde ggf. leichte Umänderungen der Realisierung erforderlich machen.

In Figur 13 ist jeder Gabelzinken 27 mit einer Schraubverbindung 17 und einem eigenen Fixierblock 28 mit der Basiseinheit 7 verbunden.

In Figur 14 sind beide Gabelzinken 27 innerhalb der Basiseinheit 7 über eine gemeinsamen Scheibe 29 miteinander verbunden.

Die Ausgestaltung der Scheibe 29 als gemeinsamen Verbindungsstücks wird in Figur 15 zu einem U-förmigen Verbindungsstück 30 erweitert.

Figur 16 demonstriert, wie es möglich ist, für beide Gabelzinken 27 nur einen Piezoantrieb 16 zu benutzen. Dafür sind die Gabelzinken 27 mit einem T- förmigen Verbindungsstück 31 fixiert, in dessen Längsseite sich der Piezoantrieb 16 befindet, der mit einer weiteren Schraubverbindung 17 fixiert ist.

Die Figuren Fig. 17 bis Fig. 20 widmen sich besonders der Ausgestaltung eines Piezoantriebs 37, der vier Segmente 33,34, 35,36 aufweist.

In Figur 17 ist die Außenfläche 102 eines piezo-elektrischen Elements 32 zu sehen, das vier Segmente 33,34, 35,36 aufweist. Die Polarisationen, bzw. die zu erzeugenden und zu empfangenden Kraftkomponenten der Segmente 33 und 34, bzw. 35 und 36 sind jeweils identisch. Die Polarisationen, bzw.

Kraftkomponenten der nebeneinander liegenden, benachbarten Segmenten wechseln sich ab.

Eine besonders effektive Ausgestaltung des Zusammenfügens zweier solcher piezo-elektrischer Elemente 32 für einen Stapel ist in Figur 18 zu finden. Dort liegen-wie in Figur 4-wieder gleiche Polarisationen, bzw. gleiche Kraftkomponenten einander gegenüber.

Figur 19 demonstriert die Anwendung eines solchen Piezoantriebs mit vier Segmenten 37 bei einer Schwinggabel 103 mit zwei Gabelzinken 27 ais mechanisch schwingfähigen Einheit 100. Diese Gabelzinken 27 sind an einer Membran 40 der Basiseinheit 7 fixiert. Innerhalb der Basiseinheit 7 ist ein Piezoantrieb mit vier Segmenten 37 an der Membran 40 befestigt. In Figur 20 ist dargestellt, dass sich die Segmente mit der gleichen Polarisation (hier Minus), bzw. mit der gleichen Kraftkomponente jeweils über den Gabelzinken 27 befinden.

Weitere Ausgestaltungen der mechanisch schwingfähigen Einheit, des Piezoantriebs und der Art der Verbindung der Einheit mit dem Antrieb lassen sich je nach Anforderung und Möglichkeiten passend konstruieren.

Bezugszeichenliste 1 Piezo-elektrisches Element mit zwei Segmenten 2 Segment 3 Segment 4 Bohrung 5 Stapel 6 Einstab 7 Basiseinheit 8 Elektrode 9 Elektrisch leitfähiges Bauteil, Lötfahne 10 Verbindungselement 11 Innerer Stab 12 Äußere Röhre 13 Festes Ende 14 Fixierelement 15 Freies Ende 16 Piezoantrieb 17 Verschraubung 18 Befestigungseinheit in der Basiseinheit 19 Festes Ende 20 Freies Ende 21 Kappe 22 Einstab 23 Zusatzgewicht 24 Auflagepunkt 25 Ende innerhalb der Basiseinheit 26 Ende außerhalb der Basiseinheit 27 Gabeizinken 28 Fixierblock 29 Scheibe 30 U-förmiges Verbindungsstück

31 T-förmiges Verbindungsstück 32 Piezo-elektrisches Element mit vier Segmenten 33 Segment 34 Segment 35 Segment 36 Segment 37 Piezoantrieb mit vier Segmenten 38 Stehbolzen 39 Mutter 40 Membran 100 Mechanisch schwingfähige Einheit 101 Antriebs-/Empfangseinheit 102 Außenfläche 103 Schwinggabel