DE2035629A1 - Piezoelektrischer Wandler - Google Patents

Description

Patentanwalt

Karl A. Brose

Dipl-hg.

D -8023 München - Puüach
Wienefslr.2,T.Müin.7930570,793!782

vln/Fo München-Pullach, 14·. Juli 1970

Paris file: 44Q0-A '

OJHE BENDIX CORPORATION, Executive Offices, Bendix Center, Southfield Michigan 48 075, USA

Piezoelektrischer Wandler

Die Erfindung "betrifft einen piezoelektrischen Wandler zum Umwandeln elektrischer Energie in akustische Energie oder umgekehrt.

Piezoelektrische Wandler sind seit langem bekannt und wer-, den dazu verwendet, elektrische Energie in akustische Energie umzuwandeln oder umgekehrt. Diese Wandlerelemente verformen sich längs einer gegebenen Achse entsprechend einem elektrischen Wechselstrom-Eingangssignal und in Abhängigkeit der Polarisation des Materials. Piezoelektrische Materialien wie Bariumtitanat und Bleicirkonat weisen Eigenschaften k-eramischer Stoffe auf-dahingehend, daß sie stark auf Druck beanspruchbar sind, jedoch schwach auf Spannung beanspruchbar sind. Die meisten piezoelektrischen Wandler wurden so hergestellt (gepolt), daß sie längs oder radial schwingen. Longitudinal-Vibratoren werden aus einer Reihe von axial gepolten Ringen hergestellt und diese werden dadurch vorgespannt, daß sie zwischen Ober- und Unterseite von Gehäuseteilen mit Hilfe eines Zugbolzens zusammengedrückt werden. Andere Wandler werden in Form eines Stabes hergestellt und.zwar mit abwechselnd entgegengesetzt ge-

polten Segmenten, so daß man dabei einen "Biegebalken"-Wandler erhält. Ein einzelnes Segment kann ebenso als ein Biegestab wirken oder als Scheibe ausgebildet sein, die sich nach Art einer Ölkanne biegt., Scheibenwandlerelemente lassen sich jedoch nur begrenzt einsetzen und zwar aufgrund der begrenzten Festigkeitseigenschaften. Zur Verarbeitung von größeren Leistungen sind sie weiter sehr beschränkt, da sie normalerweise Risse erhalten und brechen und zwar aufgrund physikalischer Spannungen, die weit vor einer elektrischen Depolarisation wirksam werden.

Scheibenförmige piezoelektrische Wandler sind normalerweise dickenpolarisiert (längs einer Achse, die senkrecht zu den Flächen verläuft) und um die Polarisation zu erreichen muß eine sehr dünne Platte aus einem sehr guten leitenden Material wie z.B. Silber oder Kuper auf jede Fläche gegeben werden und an jede dieser plattierten FläGhen muß ein Ausgangsanschluß angebracht werden» Eine große Anzahl von Ausfällen dieser Scheibenelemente bei ziemlichen Leistungsausgangsgrößen treten hier immer wieder auf, und zwar offensichtlich aufgrund von Zugspannungen während der Vibrationen« Der Vorschlag nach der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu beseitigen, besteht darin, an die Fläche der Scheibe eine vorgespannte Metallscheibe au "bindeno Hierdurch erhält man eine entscheidende Verbesserung der Leistungskapazität bzw» Ausgangsgröße. Es wurde weiter festgestellt, daß ein Vorspannen der Me tausch eibe nicht unbedingt erforderlich 1st und daß man nahesu die gleichen Ergebnisse erhalten kann, wenn man nicht vorgespannte Metallplatten verwendet. Dieselbe Technik kann man wirkungsvoll mit einem Biegestali aus vielen getrennten Segmenten zwc Anwendung -bringen. In diesem letzteren Fall ..ergibt sich aufgrund-des Pro-

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blems von Kurzschlüssen über den Segmenten der Wunsch-, eine nicht leitende und verstärkende lamellierung zu verwenden und hierzu ist eine Schicht aus Glas-Epoxydharz (glass epoxy) sehr vorteilhaft zu verwenden, so daß man einen wesentlich größeren Leistungsausgang aus einem Stab mit gegebener Größe vorsehen kann.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die Zeichnung. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Scheibentyp-Wandlers nach der vorliegenden Erfindung j

Fig. 2 eine Ansicht in auseinandergezogener Darstellung der Teile der Figur 1}

Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines Biegestab-Wandlers nach der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 4- eine Schnittdarstellung eines Biegebalken-Wandle rs nach der vorliegenden Erfindung.

In Figur 1 ist ein Wandler 10 vom Scheibentyp gezeigt und Bierbei sind zwei Scheibenelemente Seite an Seite liegend angeordnet. Ein solches Element besteht aus einer Scheibe aus keramischem piezoelektrischem Material 12 und dieses Material weist eine dünne Schicht aus einem sehr gut leitendem Material wie z.B. Silber oder Kupfer auf, das an jede Fläche aufplattiert-ist. Jede solche Fläche stellt somit eine Elektrode dar und wird an eine Wechselstromquelle angeschlossen. Die nach innen weisende Fläche ist an ein Ab-

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stützteil oder Tragteil aus Metall gebunden und dieses besteht aus zwei parallel verlaufenden Platten 14 und 16, die vermittels eines radial nachgiebigen Abstand-sringes 18 in Lage gehalten sind, so daß ein Luftspalt geschaffen wird. Die Platten 14 und 16 weisen typisch im wesentlichen die gleiche Dicke wie die Scheibe 12 auf. Die Platte 16 ist an eine-zweite keramische Scheibe 22 gebunden, die mit der Scheibe 12 identisch ist. Dünne Metallscheiben 24 und 26, die gewöhnlich von 0.001 inch bis 0.020 inch Dicke aufweisen, was von dem Durchmesser des Wandlers abhängig ist und ebenso von dessen gewünschtem !Frequenzbereich, sind an die äußeren Flächen der keramischen Scheiben 12 und 22 gebunden. Elektrische Leiter 21, 23> 25 sind wie gezeigt angeschlossen, so daß man einen Wechselstrom an die sich gegenüberliegenden Flächen der keramischen Scheiben anlegen kann.

Die 'Teile der Figur 1 sind in auseinandergezogener Darstellung in Figur 2 gezeigt. Die Teile 14, 16 und 18 sind getrennt gezeigt. Diese Teile sind normalerweise so miteinander verbunden oder aneinander gebunden, daß ein flaches zylindrisches Teil geschaffen wird, welches im Zentrum einen Luftraum-aufweist. Der Wandler arbeitet, indem er sich einbeult oder nach Art einer "ölkanne" abgelenkt oder verbogen wird, wobei sich jedes der getrennten Wandlerelemente zur gleichen Zeit nach außen und nach innen bewegt. Eine nach außen gerichtete Ablenkung versetzt die Außenfläche in Spannung und ohne die dünnen Metallschichten 24 und 26 sind die Wandler in ihrer Leistung beschränkt und zwar aufgrund der mangelnden Zugfestigkeit der keramischen Scheiben. Indem man die dünnen Metallscheiben 24 und 26 an die Keramikscheiben bindet, wie dies gezeigt ist, stellt man fest, daß die zulässige

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Ablenkung und damit die Leistungskapazität vergrößert werden kann und zwar bis ca. auf das Vierfache. Sowohl die vorgespannten als auch die nicht vorgespannten Teile 24 und 26 wurden hierbei verwendet und waren in beiden Fällen zufriedenstellend. Es scheint, daß die Vorspannung dieser Scheiben keinen Vorteil mit sich bringt. Die Bindung kann vermittels der Anwendung eines festen Epoxy-Zementes wie z.B. Eton VI, das von Shell Chemical Company hergestellt wird, vorgesehen werden. Der Zement darf nicht zu dick oder steif sein, da dies zu einem Bruch der Verbindung während des Betriebes führen kann und dadurch der gesamte Wandler versteift werden würde, wodurch seine Frequenz angehoben werden würde und seine Bandbreite damit reduziert werden würde. .

Die gleiche Technik ist in Figur 3 veranschaulicht und zwar in Verbindung mit einem Biegestab-Typ-Wandler. Bei diesem Wandlertyp sind eine Reihe von Stäben aus piezoelektrischem Material 50a, 30b, 32a, 32b, 34-a, 34b, 36a, 36b Seite an Seite befestigt und zwar in Reihen Seite an Seite, so daß die Seg-mente, die zwischen die Elektroden 29, 31, 33, 37, 39> A1 und 4-3 eingeschoben sind, abwechselnd gepolt werden. Die oberen Segmente sind entgegengesetzt gepolt hinsichtlich denjenigen, die unmittelbar darunter liegen, so daß sich die oberen Segmente ausdehnen, während sich die unteren Segmente zusammenziehen. Genau das Umgekehrte ereignet sich bei der nächsten Halbperiode, so daß sich der Stab nach vorwärts und rückwärts biegt und zwar synchron mit dem angewandten Wechselstrom. Wie im Falle des Scheibenwandlers, bewirkt die Ausdehnung das Entstehen von .Zugspannungen in dem Wandler und dies würde gewöhnlich die Leistungskapazität des Wandlers begrenzen. Durch das Binden einer Metall-Lamellierung direkt

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an die Flächen des Wandlers, würde man die Elektroden, die zwischen den Segmenten gelegen sind, kurz schliessen, und um dies zu vermeiden, ist eine Schicht aus einem Isolationsmaterial 44, 46 wie z.B. Glas-Epoxy-Harz jeweils an die obere und untere Fläche der Segmente gebunden und ein Metall-Lamellierungsstreifen 4-8, 50 ist dann auf jeder solchen Schicht aufgebracht, so daß dieser Streifen von den Elektroden isoliert ist. Es wurde festgestellt, daß man einen beträchtlichen Vorteil bei der Verwendung von nur Glas-Epoxy-Harz erhält, jedoch zum Erreichen einer maximalen Festigkeit sollte die Metall-Lamellierung in Kombination mit der isolierenden Schicht verwendet werden.

Figur 4- ist eine Schnittdarstellung eines Biegebalken-Wandlers, wobei zwei keramische Wandler elemente 54- und 56 zusammen verwendet werden« Wenn diese Anordiremg verwendet wird, dann setzt jeder Stab der Ausdehnung des anderen Stabes einen Widerstand entgegen, so daß Biegevibrationen hervorgerufen werden und damit einige der Funktionen der Schwermetallplatten 14 und 16 in Figur 1 ausgeführt werden. Wird der Strom, wie gezeigt, angeschlossen, dann krümmen sich die Stäbe 54- und 56 während einer Halbperiode nach außen und während der anderen Halbperiode nach innen. Eine Schicht aus gutem leitendem Material wie z.B. Silber ist auf jeder Seite der Stäbe 54 und 56 aufplattiert und jede Schicht ist an eine Wechselstromguelle, wie gezeigt, angeschlossen. Diese Metallschichtstäbe $8 und 60 sind jeweils an jeden der Wandler 54 und 56 angebracht und diese dienen dazu, den Grad der Abbiegung zu erhöhen und zwar innerhalb des Toleranzbereiches der Wandlerelemente, und zwar in derselben Weise, wie dies zuvor beschrieben-wurde.

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Es ist bekannt, daß der Grund für die begrenzte inhärente Begrenzung in der Leistungskapazität bei Wandlern der vorliegenden Gattung, die keine lamellierte Schicht aufweisen, darin zu suchen ist, daß das keramische Material immer feinste Oberflächenrisse aufweist, die dann zu Ausfällen führen^ wenn man das Element veranlasst, sich über eine gegebene Grenze zu biegen. Indem man also ein Material hoher Zugfestigkeit an die Fläche bindet, gibt man dieser keramischen Fläche eine größere Homogenität, die Spannungen werden über ein Material mit höherer Festigkeit verteilt und ein Wachsen dieser Risse wird weitgehend verhindert und zwar bis zu einem Punkt, bei dem konstruktive Ausfälle in Anbetracht der dann auftretenden elektrischen Depolarisation der Wandlerelemente in den Hintergrund treten» Die vorliegende Erfindung ist natürlich nicht auf die spezielle Ausführungsform oder Ausführungsformen der piezoelektrischen Wandler, die gezeigt sind, beschränkt und kann auf andere Formen, wo Zugspannungen die Leistungskapazität von Wandlern der vorliegenden Gattung begrenzen, zur Anwendung gebracht werden. Zu diesem Zweck können sowohl isolierende als auch leitende Materialien verwendet werden und es können auch beide zusammen verwendet werden. Es ist offensichtlich, daß die Lehre der vorliegenden.Erfindung sowohl auf sendenden als auch empfangenden Wandlern anwendbar ist. Demnach kann ein Empfangswandle.r, der in der zuvor beschriebenen „Weise ausgeführt ist, größeren akustischen Kräften ausgesetzt werden, woraus sich eine größere Ablenkung und ein größerer Spannungsausgang der nach der Erfindung aufgebauten Elemente ergibt.

Sämtliche in der Beschreibung erkennbaren und in den Zeichnungen dargestellten technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

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Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE

1. Piezoelektrischer Wandler zum konvertieren elektrischer Energie in akustische Energie und umgekehrt, gekennzeichnet durch ein Teil (12, 22) aus piezoelektrischem Material, das.derart polarisiert ist, daß, wenn es erregt wird, wenigstens eine seiner zwei sich gegenüberliegenden Flächen Zugspannungen ausgesetzt wird, weiter durch ein Abs-tützteil (14-, 16) mit ziemlicher Steifigkeit, das nahe der anderen Fläche des Teils (12, 22) angeordnet ist, und durch Elektroden, die an-zwei sich gegenüberliegenden Flächen des Teils (12, 22) befestigt sind, und durch eine Schicht (24,-26) aus einem Material mit wesentlich höherer Zugfestigkeit als das Teil (12, 22), die an die eine auf Zug beanspruchte Fläche gebunden ist.

2. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Teil (12, 22) und das Abstützteil (14, 16) aus Scheiben besteht und daß das Abstützteil (14, 16) eine ziemliche Dicke aufweist und an das Teil (12, 22) gebunden ist, und daß weiter das Teil (12, 22) so polarisiert und angeordnet ist, daß die·Sch-eiben als eine Einheit parallel zur Achse des Wandlers (10) vibrieren und entsprechend dieser Vibration gebogen werden.

3. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (24, 26) aus dem Material mit wesenütLch höherer Zugfestigkeit als das Teil (12, 22) aus einer dünnen Metallscheibe besteht.

4. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 2 und 5, dadurch gekennzeichnet^-daß zwei Scheiben (12, 22) Seite zu Seite angeordnet sind und voneinander über eine Einrichtung (18)

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im Abstand gehalten sind, so daß ein Luftraum (20 ) zwischen den Abstützteilen (14, 16) vorgesehen ist und daß weiter die Abstützteile (14, 16) elektrisch an benachbarte Elektroden (25) angeschlossen sind, wobei diese Elektroden die eine Eingangsseite zu einer elektrischen Schaltung darstellen und die verbleibenden Elektroden (21, 23) zusammen geschaltet sind und die andere Seite oder gegenüberliegende Seite der Schaltung darstellen. .

5· Piezoelektrischer Wandler zum Konvertieren elektrischer Energie in akustische Energie und-umgekehrt, gekennzeichnet durch eine Vielzahl einzelner Biegesegmente (30a, 30b, 32a, 32b, 34a,.34b, 36a, 36b) aus piezoelektrischem Material, die abwechselnd gepolt sind--und mechanisch so angeordnet sind, daß ein Biegestab geformt ist, daß weiter diese Segmente zwischen Schichten (44, 46) angeordnet sind, wobei diese Schichten an ;}eder frei liegenden Fläeiie des Stabes gebunden si£d, und daß weiter die Schichten (44, 46) aus einem Isolationsmaterial mit hoher Zugfestigkeit bestehen.

6. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß jede, der Schiebten (44, 46) ebenso einen dünnen Metallstreif en (48, 50) aufweist, und dieser τοη \ den Segmenten (30a, 30b, 32a,-32b, 34a, 34b, 36a, 36b) J das Isolationsmaterial (44, 46) getrennt igt. ;

ORfGfNAL INSPECTED

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