DE1806124A1

DE1806124A1 - Piezoelektrischer Wandler

Info

Publication number: DE1806124A1
Application number: DE19681806124
Authority: DE
Inventors: Juichi Moriki; Masaharu Shiosaki
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1967-10-31
Filing date: 1968-10-30
Publication date: 1969-10-16
Also published as: DE1806124B2; US3549913A; NL144799B; GB1164600A; DE1806124C3; DE1817919A1; FR1593098A; NL6815462A

Description

Piezoelektrischer^Wandler

Die Erfindung "bezieht si oh auf einen piezoelektrischen Wandler und insbesondere auf einen solchen piezoelektrischen Wandler, "bei dem zwischen einem Treiberteil und einem Leistungaabgabeteil ein mittlerer Bereioh vorgesehen ist.

Die Erfindung hat zur Hauptaufgabe, einen aus einem piezoelektrischen Material wie beispielsweise Bariumtitanat, PZT-Keramik, PCM-Keramik oder dergleichen bestehenden piezoelektrischen Wandler zu sohaffen, der durch polarisationsbedingte mechanische Kräfte nicht zerstört werden kann.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus dem Zusammenhang der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen in Verbindung mit den beigegebenen Zeichnungen hervor. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 eine schematisierte perspektivische Darstellung eines bekannten piezoelektrischen Wandlere;

Figur 2 ein« Darstallung zur Erläuterung «in«8 *ret«n Prinzips der Erfindung!

COPY

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Figuren 3 und 4 schematisierte perspektivische Darstellungen, in denen jeweils ein piezoelektrischer Wandler wiedergegeben ist, der in seinem Aufbau dem ersten Prinzip der Erfindung entspricht»

Figur 5 eine Darstellung zur Erläuterung eines zweiten Prinzips der Erfindung; und

Figuren 6 und 7 schematisierte perspektivische Darstellungen, in denen piezoelektrische Wandler wiedergegeben sind, die in ihrem Aufbau dem zweiten Prinzip der Erfindung entsprechen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung soll zunächst unter Bezugnahme auf Figur 1 auf den Aufbau eines bekannten piezoelektrischen WandlerB näher eingegangen werden, bei dem ein als Parallelepiped ausgebildeter, rechteckiger, aus einem piezoelektrischen Material bestehender, stabartiger Körper A vorgesehen ist, dessen in der Betrachtungsrichtung der Figur linke Hälfte 1 ale Treiberteil dient, an dem an der oberen beziehungsweise an der unteren Fläche eine Eingangeelektrode 2 und eine Ausgangselektrode 3 vorgesehen sind. Die in der Betrachtungsrichtung rechte Hälfte 4 des aus einem piezoelektrischen Material bestehenden Körpers A dient als Leistungsabgabeteil, an dessen in der Betrachtungsrichtung rechten Endfläche eine Ausgangselektrode 5 vorgesehen ist, wobei der stabartige Körper A aus Bariumtitanat, PZT-Keramik, PGM-Keramik oder dergleichen bestehen kann. Zur Erzielung der Wirkweise eines Wandlers unter Ausnutzung der elektrostriktiven Wirkung oder des piezoelektrischen Effekts wird das Treiberteil 1 in der Stärkenrichtung polarisiert, wie dies durch einen Pfeil P angedeutet ist, während das Leistungsabgabeteil 4 in der Längsrichtung polarisiert wird, was durch einen pfeil P¹ verdeutlicht ist.

Eine allgemeine Methode zu einem solchen Polarisieren eines piezoelektrischen Wandlers besteht darin, die Eingangsansohlüss· 2 und 3 kurzzuschließen, zwischen den beiden kurzgeschlossenen Eingangselektroden 2 und 3 einerseits und der Ausgangselektrode 5 andererseits zum Polarisieren des Leistungsabgabeteilβ in der Längsrichtung ein Gleichatromfeld anzulegen, hierauf die Verbindung zwischen den Eingangsansehlüssen 2 und 3 zu lösen und zwischen diesen «um Polarisieren des Treiberteile 1 in der Stärken-

richtunq

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richtung ebenfalls ein Gleichstromfeld anzulegen. Die beiden PoIarisationerichtungen stoßen also an der Grenzebene zwischen dem Treiberteil 1 und dem Leietungsabgabeteil 4 senkrecht aufeinander.

Hun ist es eine wohlbekannte Tatsache, daß ein piezoelektrisches Material die Eigenschaft besitzt, sich in der Polarisationsrichtung auszudehnen und sieh in einer Eiohtung senkrecht zur Polarisationsrichtung zusammenzuziehen. Bei dem in Figur 1 dargestellten piezoelektrischen Wandler ist daher das Treiberteil 1 an einer Stelle nahe der Grenzebene in der durch den Pfeil S verdeutlichten Weise der Einwirkung einer nach außen gerichteten BeIastungskraft ausgesetzt, während auf das Leistungsäbgabeteil 4 an einer Stelle nahe der Grenzebene eine einwärtsgeriohtete, duroh einen Pfeil S' angedeutete Belastungskraft einwirkt, so daß es an diesen Stellen zu einer Scherspannungskonzentration kommt, duroh welche die mechanische Festigkeit im Bereich der Grenzebene beeinträchtigt wird. Die betriebliche Zuverlässigkeit der bekannten Vorrichtung ist daher recht gering, insofern sioh nämlich sehr häufig beim Polarisieren oder im Betrieb Zerstörungsersoheinungen bemerkbar machen. Erschwerend kommt noch hinzu, daß dies· Zerstörungsersoheinungen um so ausgeprägter sind, je intensiver die Polarisation vorgenommen wird.

Durch die Erfindung sollen die vorbezeichneten Mängel des bekannten piezoelektrischen Wandlers ausgeschaltet werden. Figur 2 dient der Erläuterung eines ersten Prinzips der Erfindung, demzufolge zwischen der in der Betrachtungsrichtung linken Hälfte eines als Parallelepiped ausgebildeten, aus einem piezoelektrischen Material bestehenden Körpers B, die als Treiberteil 6 dient, und der als Leistungsabgabeteil 7 dienenden rechten Hälfte dieses Körpers ein Zwischenbereich θ vorgesehen ist, der nicht oder allenfalls nur geringfügig polarisiert ist.

In der Darstellung der Figur 2 bezeichnen die Richtung und die Länge eines Pfeils jeweils die Polarisationsriohtung beziehungsweise den Polarisationsgrad. Das Treiberteil 6 ist also in der Stärkenrichtung polarisiert und der Polarisationsgrad nimmt in Richtung der ZwiBChenfläohe 8 ab. Duroh diese Vorkehrung kann die vorerwähnte, in örtlicher Konzentration in der Nähe der Grenzebene auftretend·

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tretende Scherbeanepruchung verringert werden, so daß die meohanische Festigkeit des Treiberteils 6 und des Leistungsabgabe teils 7 im Bereich der Grenzebene nicht mehr beeinträchtigt wird. Die Wahr-BOheinlichkeit, daß es beim Polarisieren oder im Betrieb zu einer Zerstörung kommen könnte, ist damit also stark herabgesetzt, wodurch eine sehr hohe betriebliche Zuverlässigkeit gewährleistet wird. Die Bezugezahlen 9 und 10 bezeichnen jeweils Eingangselektroden, während mit der Bezugszahl 11 eine Auggangselektrode bezeichnet ist.

Die Ausbildung einer solchen Zwischenfläche 8 kann nach verschiedenen Methoden erfolgen, von denen einige nachstehend näher erläutert werden sollen.

Hierzu sei zunächst auf Figur 3 Bezug genommen, aus der zu ersehen ist, daß an der Oberseite und an der Unterseite des Treiberteils 6 in einem vorbestimmten Abstand von den dem Leistungsabgabeteil 7 zugekehrten Seitenenden der Eingangselektroden 9 und 10 Polarisationselektroden 12 und 13 vorgesehen sind. Das Leistungsabgabeteil 7 wird in der Längsrichtung polarisiert, indem zwischen den Elektroden 12 und 13 einerseits und der Ausgangselektrode 11 andererseits ein Gleichstromfeld angelegt wird, wobei die Elektroden 12 und 13 kurzgeschlossen sind. Anschließend wird dann das Treiberteil 6 in der Stärkenriohtung dadurch polarisiert, daß zwischen den Elektroden 9 und 10 ein Glelohstromfeld angelegt wird. Zn dieser Weise kann ein Zwischenbereich θ gebildet werden, der nicht oder nur geringfügig polarisiert ist. Damit kann also im wesentlichen der in Figur 2 dargestellte Zustand praktisoh verwirklicht werden.

Eine weitere Polarisationsmethode, bei der ein solcher Zwischenbereich 8 ausgebildet wird, soll anhand der Figur 4 beschrieben werden.

Nach dieser Methode wird nahe der Grenzebene zwischen dem Treiberteil 6 und dem Leistungsabgabeteil 7 eine ringartige Elektrode 14 angeordnet, die sich um den aus einem piezoelektrischen Material bestehenden Körper herumerstreckt. Das Leistungsabgabeteil 7 wird durch Anlegen eines Gleichstromfeldes zwischen der ringartigen Elektrode I4 und der an der Endfläche des Leistungsab-

gabeteila

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gabeteils 7 vorgesehenen Ausgangselektrode 11 in der Längsrichtung polarisiert. Hierauf wird das Treiberteil 6 in der Stärkenrichtung polarisiert, indem zwischen den Eingangselektroden 9 und 10 ein Gfleichstromfeld angelegt wird, die an der Oberseite beziehungsweise an der Unterseite des Treiberteils 6 vorgesehen sind. In dieser Weise kann ebenfalls ein Zwischenbereich ausgebildet werden, der nicht oder allenfalls geringfügig polarisiert ist. Auch hierdurch wird also im wesentlichen der in Figur 2 dargestellte Zustand erreicht.

Gegenüber der unter Bezugnahme auf Figur 3 beschriebenen Methode ist diese Methode allerdings insofern nachteilig, als sie mit einem erhöhten Arbeitsaufwand verbunden ist, da in diesem Pail auoh die Seitenflächen des piezoelektrischen Wandlers mit dem Elektrodenmaterial bedeckt werden müssen, doch ist sie für piezoelektrische Wandler von größerer Stärke zweckmäßig, da hierbei eine größere Vollkommenheit in der Ausbildung des Zwischenbereichs möglich ist.

Figur 5 dient der Erläuterung des zweiten Prinzips der Erfindung, das gleichfalls darauf abzielt, dem Auftreten von Zerstörungserscheinungen in der Nähe der Grenzebene zwischen dem Treiberteil und dem Leistungsabgabeteil des piezoelektrischen Wandlers vorzubeugen. In Figur 5 sind die Polarisationsrichtungen mit Pfeilen bezeichnet. Hieran ist zu ersehen, daß das Treiberteil 6 in der Stärkenrichtung polarisiert ist, worauf die Polarisationsrichtung in der Nähe des Zwiβchenbereiche θ allmählich immer mehr in die Längsrichtung der Anordnung überleitet, während sich jenseits des Zwischenbereiche»die Polarisationsrichtung gänzlich mit der Längsrichtung deckt. Diese Beschaffenheit ist geeignet, der vorerwähnten, örtlich auftretenden Scher Spannungskonzentration in der Nähe der Grenzebene entgegenzuwirken, so daß die mechanisch· Festigkeit des Treiberteile 6 und de« Leistungsabgabeteils 7 im Bereich der Grenzebene nicht beeinträchtigt wird. Me Wahrscheinlichkeit des Auftretens von Zerstörungserscheinungen beim Polarisieren oder im Betrieb der Torrichtung wird also stark verringert, so daß eine hohe betriebliche Zuverlässigkeit gewährleistet ist.

Zum Herbeiführen, einer in der Nähe der Grenzebene zwi-

soh en

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sehen dem Treiberteil 6 und dem Leistungsabgabeteil 7 allmählich fortschreitende Änderung der Polarisationsrichtung kann man sich verschiedener Methoden bedienen. Figur 6 dienifcer Erläuterung eines Beispiels für eine solche Methode.

Bei dem in Figur 6 dargestellten piezoelektrischen Wandler unterscheidet sich die Eingangselektrode 10 hinsichtlich ihrer LängenerStreckung in kennzeichnender Weise von der Eingangselektrode 12. Wird ein solcher piezoelektrischer Wandler in der gleichen Weise einem Polarisationsvorgang unterworfen, wie dies im obigen anhand der Figur 1 beschrieben wurde, so kann im wesentlichen der in Figur 5 dargestellte Zustand herbeigeführt werden.

In Figur 7 ist ein piezoelektrischer Wandler dargestellt, bei dem an dem dem Leistungsabgabeteil 7 zugekehrten Seitenende der längeren Elektrode 12 in einstückiger Ausbildung mit dieser eine dritte Eingangselektrode 13 vorgesehen ist, die gänzlich um den aus einem piezoelektrischen Material bestehenden Körper herumgeführt ist. Es wird zunächst das Leistungsabgabeteil 7 durch Anlegen eines Gleichstromfeides zwischen der Eingangselektrode 12 und der Ausgangselektrode 11 in der Längsrichtung polarisiert, und hierauf wird das Treiberteil 6 in der Stärkenrichtung polarisiert, indem man zwischen den Eingangselektroden 10 und 12 ein Gleichstromfeld anlegt. Auch in dieser Weise kann im wesentlichen der in Figur 5 verdeutlichte Zustand erreicht werden.

Wie im obigen erläutert wurde, kann die Neigung zu einer Konzentration deformierend wirkender Kräfte, die in der Nähe der Grenzebene zwischen dem Treiberteil und dem Leistungsabgabeteil aufzutreten pflegen, im Bahmen der Erfindung weitgehend verringert werden, so daß die betriebliche Zuverlässigkeit eines piezoelektrischen Wandlers hierdurch in bemerkenswerter Weise erhöht wird. Der durch die Erfindung geschaffene piezoelektrische Wandler kann somit in wirksamer Weise als Transformator eingesetzt werden, der Insbesondere für einen Betrieb mit großer Amplitude geeignet ist, so beispielsweise als Hochspannungstransformator für Fernsehzwecke.

Patentansprüche

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Claims

piezoelektrisoher Wandler mit einem als Parallelepiped auegebildeten, aus einem piezoelektrischen Material wie Bariumtitanat, PZT-Keramik, PCM-Keramik oder dergleichen bestehenden Körper, einem durch die eine Hälfte dieses Körpers gebildeten und an der oberen sowie an der unteren Seite roneinander gesonderte Eingangselektroden aufweisenden Treiberteil und einem durch die andere Hälfte dieses Körpers gebildeten, an der entgegengesetzten Endfläohe eine Ausgangselektrode aufweisenden Leistungsabgabeteil, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung des Auftretens τοη zum Zerstören des Körperβ (B) hinreichenden mechanischen Kräften in dem Grenzbereich zwischen dem Treiberteil (6) und dem Leistungsabgabeteil (7) ein g

Zwischenbereich (θ) vorgesehen ist, der sich hinsiohtlioh seines Polarisationszustandes von dem Treiberteil (6) und Ton dem Leistungsabgabeteil (7) unterscheidet.

Piezoelektrischer Wandler nach Anspruoh 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Zwisohenbereioh (θ) um einen Bereich handelt, der nioht oder nur geringfügig polarisiert ist.

Piezoelektrischer Wandler naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zwisohenbereich (θ) ein allmählicher Übergang der Polarisationsrichtung τοη der Polarisationsrichtung im Treiberteil (6) zu der Polarisationsrichtung im Leistungsabgabe teil (7) vorgesehen ist.

Piezoelektrischer Wandler naoh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung eines nicht polarisierten oder nur geringfügig polarisierten Zwischenbereichs (8) im Grenzbereich zwischen dem Treiberteil (6) und dem Leistungsabgabeteil (7) an der oberen und an der unteren Fläche des Lei stungsabgabe te ils (7) in einem vorbestimmten Abstand von den dem Leistuhgsabgabeteil (7) zugekehrten Seitenenden der Eingangselektroden (9, IO) zusätzlieh voneinander gesonderte Elektroden (12, I3) vorgesehen sind, wobei das Leistungsabgabeteil (7) durch Anlegen eines Gleichstromfeldea zwischen den hierbei kurzgeschlossenen gesonderten Elektroden (12, I3) und der Auegangselektrode (ll) in der Längsrichtung polarisierbar ist und wobei das !Creiberteil (6) durch Anlegen eines (Jl eich stromfei des zwischen den Eingangselektroden (9, IO) in der Stärkenrichtung po-

larisierbar

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- 8 larisierbar ist.

Piezoelektrischer Wandler naoh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung eines nicht polarisierten oder nur geringfügig polarisierten Zwischeribereichs (8) im Grenzbereich zwischen dem Treiberteil (6) und dem Leietungeabgabeteil (7) in einem vorbestimmten Abstand von den dem Leistungeabgabeteil (7) zugekehrten Seitenenden der Eingangselektroden (9, 1O) zusätzlich eine ringartige, um das Leistungsabgabeteil (7) gänzlich herumgeführte Elektrode (14) vorgesehen ist, wobei das Leistungsabgabeteil (7) durch Anlegen eines Gleichstromfeldes zwischen der ringartigen Elektrode (14) und der Auegangeelektrode (11) in der Längsrichtung polarisierbar ist und wobei das Treiberteil (6) durch Anlegen eines Gleichstromfelde β zwischen den Eingangselektroden (9, lo) in der Stärkenriohtung polarisierbar ist.

Piezoelektrischer Wandler naoh Anspruch 3, daduroh gekennzeichnet, daß zur Ausbildung eines Zwischenbereichs (θ) mit einem allmählichen übergang der Polarisationsrichtung von der Polarisationsriehtung im Treiberteil (6) zur Polarisationgrichtung im Leistungsabgabeteil (7) im Grenzbereieh zwieohen dem Treiberteil (6) und dem Leistungsabgabeteil (7) die beiden Eingangeelektroden (10, 12) mit einer unterschiedlichen Längenerstreokung in Sichtung des Leistungsabgabeteils (7) ausgebildet sind und eine Anordnung der beiden Eingangselektreden (10, 12) vorgesehen 1st, bei der sich diese in dem Grenzbereich zwischen dem Treiberteil (6) und dem Leistungsabgabeteil (7) nicht in einer Deokungestellung befinden, wobei das Leistungsabgabe teil (7) durch Anlegen eines Glβiohβtromfeldes zwischen den hierbei kurzgeschlossenen Eingangselektroden (10, 12) und der Ausgangselektrode (ll) in der Längsrichtung polarisierbar ist und wobei das Treiberteil (6) durch Anlegen eines Gleiehstromfeides zwischen den Eingangselektroden (10, 12) in der Stärkenrichtung polarisierbar ist.

Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung eine« Zwiechenbereiohs (8) mit einem allmählichen Obergang der Polarisationsriehtung von der Polarisationsriehtung im Treieerteil (6) zur Polarisationeriohtung im Leistungsabgabeteil (7) im Grenzbereieh zwischen des Treiberteil (6) und dem

Lei stungsabgabete il

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~ 7 —

Leistungsabgabeteil (7) die beiden Eingangselektroden (10, 12) mit einer unterschiedlichen Längenerstreckung in Richtung des Leistungsabgabeteils (7) ausgebildet sind, eine Anordnung der beiden Eingang selektro den (10, 12) vorgesehen ist, bei der sich diese in dem Grenzbereich zwischen dem !Ereiberteil (6) und dem Leistungsabgabeteil (7) nicht in einer Deokungsstellung befinden, und an derjenigen der Eingangselektroden (10, 12), die sieh weiter in Eichtung des Leistungsabgabeteils (7) erstreckt, ein ringartige·, um das Leistungsabgabe teil (7) gänzlich herumgeführtes Elektrodenteil (13) Torgesehen ist, wobei das Leistungsabgabeteil (7) durch Anlegen eines GrI ei oh stromfei de s zwisohen dem ringartigen Elektrodenteil (13) und der Ausgangselektrode (11) in der Längsrichtung polarisierbar ist und wobei das Treiberteil (6) durch Anlegen eines Gleichstromfeldes zwisohen den Eingangselektroden (lO, 12) in der Stärkenrichtung polarisierbar ist.

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