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EleKtromechanischer Wandler
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Die Erfindung bezieht sich auf einen elextromechanischen Wandler mit
2n, aus einem piezoelextrischen oder elextrostrixtiven Material bestehenden, einen
Stapel bildenden9 streifenförmigen, an ihren Hauptflächen mit Elektroden bedeckten
Schichten, von denen jeweils n eine Stapelhälfte bildende Schichten beiderseits
der Mitte des Stapels liegen, und mit Einrichtungen zum Zuführen von Spannungen
an die EleKtroden zur Bildung von senicrecht zu den#Hauptflächen der Schichten stehenden
elelctrischen Feldern.
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Wandler dieser Art können angewendet werden, z.B. bei der Erzeugung,
Messung und Ermittlung von Schall, Stoß, Vibration, Druck usw. Es werden dabei elektrische
Impulse in eine mechanische Auslenkung umgesetzt oder umgekehrt.
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Es sind elektromechanische Wandler aus piezoelektrischem oder elextrostrixtivem
Material bekannt (z.B. DE-OS 29 18 625 oder US-PS 24 84 950), die aus zwei aufeinandergeklebten
Keramikstreifen bestehen. Solche Wandler in Bimorph-Konfiguration werden üblicherweise
an einem Ende eingespannt-und werden durch Anlegen geeigneter Spannungen an ihrem
freien Ende ausgelenkt und können so beispielsweise als Stellglied zum Nachsteuern
von Videoköpfen bei magnetischer Videoaufzeichnung dienen.
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Die AuslenKung z solcher Wandler ist gegeben durch
in der Formel bedeuten: A = Faktor von ca. 3; d31 = piezoelektrische Ladungskonstante;
1 = freie Länge des Wandlerkörpers; h = Gesamtdicke des Wandlerkörpers und U = die
am Wandler
anliegende Spannung. Ein derartiger Wandler gemäß dem
Stand der Technik ist in Fig. 1 dargestellt.
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Ein Problem solcher Wandler ist, daß zum Erzielen geeigneter Auslenkungen
im allgemeinen Spannungen im Bereich von 100 V benötigt werden. Eine Verringerung
der Schichtdicken d der am Aufbau des Wandlerkörpers beteiligten einzelnen Schichten
bzw. der Gesamtdicke h des Wandlerkörpers vergrößert zwar die Empfindlichkeit des
Wandlers, d.h. mit kleineren Spannungen sind gleich große oder größere Auslenkungen
erreichbar, da aber die an der freien Spitze des Wandlerkörpers wirksame Kraft F
durch
gegeben ist, worin bedeuten: B = Proportionalitätsfaktor, in dem u.a. die Breite
des Wandlerkörpers enthalten ist; S11 = eine der Elastizitätskonstanten des verwendeten
Materials; h = Gesamtdicke des WandlerKörpers; 1 = freie Länge des Wandlerkörpers
und z = Empfindlichkeit des Wandlerkörpers, nimmt die ausnutzbare Kraft schneller
ab als die Empfindlichkeit des Wandlers (z/U) verbessert wird.
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Eine Lösung dieses Problems wäre, daß die elektrisch wirksame Dicke
d des Wandlerkörpers reduziert wird, ohne die mechanisch wirksame Dicke h des Wandlerkörpers
zu verändern. Dazu müßten statt zwei Keramikstreifen 2n Keramikstreifen Ubereinandergelegtund
in geeigneter Weise kontaktiert werden. Ein Wandlerzörper in einer derartigen Multimorph-Konfiguration
ist in Fig. 2 dargestellt. Ein solcher Multimorph-Wandler hätte den Vorteil, daß
im Vergleich zu einem Wandler in Bimorph-Konfiguration gleicher Gesamtdicke wesentlich
geringere eleictrische Spannungen nötig sind, um die gleiche Auslenkung zu erzielen,
die wirksamen mechanischen Stellkräfte
jedoch gleich sind. Es darf
jedoch nicht erwartet werden, daß die Empfindlichkeit z/U des Wandlers bei einer
Anordnung mit 2n Schichten um einen Faktor n zunimmt. Dies liegt an der internen
mechanischen Spannungsverteilung bei der Biegung eines solchen Wandlers; das Dehnungs-Schrumpfungs-Verhalten
eines Bimorph-Wandlers ist in Fig. 3 dargestellt. Die Fig. 3 zeigt schematisch einen
gebogenen Wandlerkörper in Bimorph-Konfiguration mit eingezeichneter neutraler Faser;
die sich bei der Krümmung ergebende mechanische Dehnung in Abhängigkeit vom Abstand
von der neutralen Faser ist mit den Pfeilen a eingezeichnet. An der Oberseite ist
maximale Dehnung feststellbar, während an der Unterseite maximale Schrumpfung stattfindet.
Ein Wandler in Multimorph-Konfiguration mit konstanter Dicke der einzelnen Schichten
gibt bei elektrischer Ansteuerung mit gleicher Spannung pro Schicht gemäß Fig. 4
eine konstante Dehnung (vgl.
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Pfeile a) vor, die nicht dem natürlichen Dehnungsverlauf bei Biegung
entspricht. Daher müssen starke innere Scherspannungen auftreten, die zu Delamination
der einzelnen Schichten führen können. Durch diese gegenseitige Hemmung der einzelnen
Schichten ist die Empfindlichkeitszunahme kleiner als durch den Faktor n gegeben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromechanischen
Wandler in Multimorph-Konfiguration zu schaffen, bei dem die unerwünschten Auswirkungen
der inneren mechanischen Scherspannungen zwischen den ein zelnen Schichten des Wandlerkörpers
auf ein Mindestmaß reduziert sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dicke der
Schichten jeder Stapelhäfte von der Mitte des Stapels her nach außen hin abnimmt
und daß die Schichten beider Stapelhälften, die in gleichem Abstand zur Mitte des
Stapels liegen, gleiche Dicke aufweisen
Der-Erfindung liegt die
Erkenntnis zugrunde, daß die Auswirkung der inneren Scherspannungen zwischen den
einzelnen, den Wandlertörper eines Wandlers in Multimorph-Konfiguration bildenden
Schichten dadurch minimiert werden können, daß die Schichtdicke der einzelnen Schichten
des Wandlerkörpers nicht konstant gehalten wird, sondern so angepaßt wird, daß die
mittlere Dehnung pro Schicht gerade der natürlichen Dehnung bei Biegung entspricht.
Hierzu wird auf Fig. 5 hingewiesen, in der mit den Pfeilen a dargestellt ist, wie
die mittlere Dehnung pro Schicht gerade der natürlichen Dehnung bei Biegung entspricht.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Schichtdicke
der n-ten Schicht dn ausgehend von der neutralen Faser, die sich immer automatisch
einstellt und geometrisch in der Mitte zwischen dem Bereich der maximalen Dehnung
und der maximalen Schrumpfung liegt, gegeben durch:
wobei n den Laufindex der Schichten, also die n-te Schicht, bezeichnet, und d1 die
Schichtdicke der dicksten Schicht bedeutet.
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Bei Wahl der Schichtdicken gemäß dieser Beziehung ergibt sich vorteilhaft,
daß die Empfindlichkeit z/U gegenüber einem Biegeelement mit gleicher Gesamtlicke
n und gleicher Länge 1, Jedoch gleichmäßiger Schichtdicke um den Faktor n erhöht
wird; dabei ist das Auftreten von Scherspannungen zwischen den einzelnen Schichten
minimiert.
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Nach weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist der
aus den streifenförmigen Schichten gebildete Stapel an seinem einen Ende in einer
Halterung fixiert, wobei die freie Länge des Stapels senkrecht zu seinen
Hauptflächen
auslenkbar ist; das Verhältnis von freier Länge zu Gesamtdicke des Stapels beträgt
vorteilhafterweise 5 : 1 bis 100 : 1.
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Nach weiteren Ausgestaltungen der Erfindung bestehen die streifenförmigen
Schichten aus einem Material, dessen Wert für die piezoelektrische Ladungskonstante
d31 min destens 150 ~ 10-12 m/V beträgt; insbesondere bestehen die streifenförmigen
Schichten aus einer ferroelektrischen Mischkristallkeramik auf der Basis von Pb1
a worin bedeuten: M = mindestens ein Erdalkalimetall wie Ca, Sr9 Ba O k a # 0,15
o < b < 0,20 0,01 # x < 0,25 0,40 < y < 0,55 0,20 # z < 0,59 x+y+z
= 1 Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch
Anpassung der Schichtdicken der einzelnen Schichten eines elektromechanischen Wandlers
in Multimorph-Konfiguration an den internen mechanischen Spannungsverlauf verbesserte
Empfindlichkeitswerte erzielbar sind.
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Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben
und in ihrer Wirkungsweise dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 elektromechanischer Wandler
in Bimorph-Konfiguration nach dem Stand der Technik, Fig. 2 elektromechanischer
Wandler in Multimorph-Konfiguration nach dem Stand der Technik, Fig. 3 elektromechanischer
Wandler in Bimorph-Konfiguration nach dem Stand der Technik in gebogenem Zustand,
Fig. 4 Dehnungsverhalten-eines Wandlers in Multimorph-Konfiguration gemäß dem Stand
der Technik bei Ansteuerung mit gleicher Spannung pro Schicht, Fig. 5 Darstellung
der mittleren Dehnung pro Schicht im Verhältnis zur natürlichen Dehnung bei Biegung
bei einem Wandlerkörper in Multimorph-Konfiguration gemäß der Erfindung, Fig. 6
einen elektromechanischen Wandler in Multimorph-Konfiguration gemäß der Erfindung,
Fig. 7 Empfindlichkeit eines Wandlers in Multimorph-Konfiguration gemäß der Erfindung
im Vergleich zu der eines Wandlers in Bimorph-Konfiguration gemäß dem Stand der
Technik, aufgetragen über der angelegten elektrischen Spannung U/V.
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In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines Wandlers mit einem aus
streifenförmigen Schichten 1, 1', 2, 2', 3 und 3' aufgebauten Wandlerkörper 5 mit
einer Verdrahtung der einzelnen Schichten dargestellt. Die Pfeile 7 in den Schichten
1, 1' bis 3, 3' heben die Polarisationsrichtungen an. Die beiden Stapelhälften des
Wandlerkörpers gemäß den Schichten 1, 2, 3 und 1', 2', 3' liegen in Parallelschaltung
an einer nicht dargestellten Spannungsquelle.
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Dieser Schaltung entsprechend verläuft die elektrische Feldstärke
in den Schichten 1', 2', 3' z.B. in Richtung der Polarisation der einzelnen Schichten
und in den Schichten 1, 2, 3 entgegengesetzt der Richtung der Polarisation in den
einzelnen Schichten. Der Pfeil 11 gibt die Richtung der Feldstärke an; dementsprechend
ergibt sich für die einzelnen Schichten 1, 1' bis 3, 3 eine Richtung der Feldstärke
gemäß den Pfeilen 8.
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Mit 9 ist eine Halterung zum einseitigen Fixieren des aus den Schichten
1, 1' bis 3, 3' gebildeten Wandlerkörpers 5 dargestellt. Die freie Länge des Wandlerkörpers
beträgt 12 mm, die Schichtdicken der einzelnen Schichten sind in der Figur angegeben,
sie betragen 320 1um (Schichten 1, 1'), 130 /um (Schichten 2, 2') und 100 lum (Schichten
3, 3').
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Wenn die zur Berechnung der einzelnen Schichtdicken oben angegebene
Formel
angewendet wird, ergeben sich als exakte Werte für die Schichten geringe Abweichungen;
wenn die Schichten größter Dicke 1, 1' mit 320 lum angenommen werden, ergäben sich
als exakte Werte für die Schichten 2, 2' = 131,2 jum und für die Schichten 3, 3'
= 102,4 ~um. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden diese Werte aus
fertigungstechnischen Gründen auf 130 /um respektive 100 jum abgerundet.
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In Fig. 6 sind die einzelnen Schichten 1, 1' bis 3, 3 mit unterschiedlicher
Länge dargestellt. Dies ist erforderlich, um freien Platz für die Elektrodenanschlüsse
zu erhalten; das freie, nicht in der Halterung 9 fixierte Ende des Wandlerkörpers
5 hat zweckmäßigerweise bündige Schichten 1, 1' bis 3, 3'.
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In Abhängigkeit von der angelegten Spannung wurde die Empfindlichit
am Ende des Elementes gemessen und gemäß der
multipliziert, um eine von der Geometrie unabhängige Vergleichsgröße zu erhalten.
Die gleichen Messungen wurden mit einem Bimorph-Wandler nach dem Stand der Technik
gemacht und es wurde ebenfalls die Empfindlichkeit z ~ h h2/l2 über der angelegten
Spannung bestimmt. Die geometrieunabhängige Empfindlichkeit z des Wandlers ist über
der angelegten Spannung in Fig. 7 dargestellt. In der Formel bedeuten z = Empfindlichkeit
des Wandlerkörpers; h = Gesamtdicke des Wandlerkörpers; 1 = freie Länge des Wandlerkörpers
und U = angelegte Spannung.
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Es ergibt sich, daß die Vielschichtanordnung mit angepaßter Dicke
der streifenförmigen Schichten des Wandlerkörpers tatsächlich Auslenkungswerte zeigt,
die nahe der theoretisch zu erwartenden Kurve liegen, die bei 2 x 3 Schichten um
einen Faktor 3 größer sein soll als für einen Wandler in Bimorph-Konfiguration.
Daß die gemessenen Werte sogar höher liegen als erwartet, kann an dem stärkeren
nichtlinearen Verhalten des Multimorph-Wandlers liegen, da die Feldstärkenwerte
innerhalb der äußeren Schichten bei gleicher Spannung deutlich größer waren als
bei dem Bimorph-Wandler.
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Der Wandlerkörper 5 mit den Schichten 1, 1' bis 3, 3' soll aus einem
ferroelektrischen keramischen Material bestehen, dessen Wert für die piezoelektrische
Ladungskonstante d31 mindestens 150 ~ 1Q 1210-12 m/V beträgt. Derartige keramische
Materialien sind käuflich erhältlich und z.B. in der EP-OS 00 19 337 ausführlich
beschrieben.
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Für das hier beschriebene Ausführungsbeispiel wurde eine Keramische
Masse der Formel Po 95 Sr0,05 (Mg1/3 Sb2,3)0,15 Tio, 45 Zr0,40 3 verwendet, wobei
der Wandlerkörper mit den Schichten 1, 1 bis 3, 3 auf folgende Weise hergestellt
wurde: Das keramische Ausgangsmaterial wurde trocken ohne Zusatz von Bindemitteln
verpreßt und bei einer Temperatur von 8500C in Sauerstoff 2 h vorgesintert. Anschließend
wurde ein Scharfbrand bei einer Temperatur von ca. 1200°C mit einer Dauer in der
Größenordnung von ca. 45 min ausgeführt. Aus den Sinterkörpern wurden anschließend
mittels mechanischer Bearbeitung (z.B. Sägen, Polieren) Körper mit den Abmessungen
von 22 mm Länge x 7 mm Breite x 320 bis 100 /um Dicke hergestellt. Auf den Hauptflächen
der so vorbereiteten Körper wurden Elektroden, hier beispielsweise aus Gold, durch
Aufdampfen angebracht. Die Elextro den, die vorzugsweise einen ohmschen Kontakt
bilden müssen, können Jedoch aus beliebigen, für Elektroden geeigneten Metallen
oder Legierungen, wie Silber, Nickel oder Nickel-Chrom-Legierungen, bestehen. Die
Elektrodenschichten können z.B. auch durch Aufspritzen oder Siebdrucken einer Paste
mit anschließender Wärmebehandlung oder durch stromolose Abscheidung aus einem Metallbad
auf gleiche Weise erhalten werden.
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Um einen WandlerKörper mit den Schichten 1, 1' bis 3, 3e zu erhalten,
wurden Jeweils 6 der oben beschriebenen Sinterkörper, nämlich Jeweils Sinterkörper
der Abmessungen 22 mm x 7 mm x 320 /um, 22 mm x 7 mm x 130 jum und 22 mm x 7 mm
x 100 1um mittels einer Kunstharzkleberschicht derart fest miteinander verbunden,
daß die Sinterkörper größter Dicke benachbart in der Mitte des Stapels, die Sinterkörper
kleinster Dicke Jeweils an den
Außenseiten des Stapels liegen.
Die kraftschlüssige Verbindung der die Schichten 1, 1' bis 3, 3' des# Wandlerkörpers
5 bildenden Sinterkörper kann im Rahmen des fachmännischen Handels jedoch auf beliebige
andere Weise erfolgen. Die Elektrodenschichten wurden durch mittels Thermokompression
befestigte Golddrähte elektrisch miteinander verbunden.
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Die Polarisation der Schichten 1, 1 bis 3, 3' erfolgte jeweils vor
dem Zusammenkleben der Schichten entsprechend der gewünschten Polarisationsrichtung
mit einer Feldstärke von 2,5 MV/m 10 min bei einer Temperatur von 1200C Die Gesamtdicke
des Wandlerkörpers 5 betrug bei diesem Ausführungsbeispiel 1,2 mm, davon sind ca.
100 /um Klebefugen. Die freie Länge des Wandlerkörpers betrug 12 mm, die Breite
7 mm.
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Für die Herstellung des Keramischen Wandlerkörpers gemäß der Erfindung
sind außer der genannten ferroelektrischen keramischen Masse alle ferroelektrischen
keramischen Massen mit einer piezoelektrischen Ladungskonstanten d31 von von >150~
10 -12 miV ebenso geeignet.