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~Elektromechanischer Wandler;
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Die Weiterbildung bezieht sich auf einen elektromechanischen Wandler
aus elektrostriktiver Keramik, dessen Wandler-Körper aus zwei aufeinanderliegenden,
miteinander fest verbundenen streifenförmigen keramischen Schichten besteht, zwischen
denen eine gemeinsame Mittelelektrode angeordnet ist und bei welchem an den, der
Mittelelektrode abgewandten Flächen der Schichten je eine weitere Elektrode angebracht
ist nach Patentanmeldung P 29 18 625.2.
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In der Hauptanmeldung ist eine Schaltung zur gegenphasigen Ansteuerung
eines Wandlers mit einem Wandlerkörper aus elextrostriktivem Material in Bimorphkonfiguration
beschrieben, bei welcher die Mittelelektrode auf einem festen Potential liegt (-Uv)
und die beiden weiteren Elektroden (äußere Elektroden) ihr Potential verändern.
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Der Weiterbildung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dieser
Schaltung vereinfachte Schaltung zur Ansteuerung eines elektromechanischen Wandlers
mit einem Wandlerkörper aus elektrostriktiver Keramik in Bimorphkonfiguration anzugeben.
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Diese Aufgabe wird vorteilhafterweise dadurch gelöst, daß beide Schichten
über die Mittelelektrode mit einer Steuerspannung Ua angesteuert sind und die beiden
weiteren Elektroden auf festen, jedoch zueinander entgegengesetzten Potentialen
(+Uv, -Uv), die die Steuerspannung Ua betragsmäßig übersteigen, liegen.
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Dadurch ergeben sich u.a. die Vorteile, daß auf einen Endverstärkerzweig
verzichtet werden kann, die Auslenkung des elektrostriktiven Bimorphelementes jedoch
trotzdem identisch
zu der des Bimorphelementes gemäß der Hauptanmelduñg
ist, d.h. die bei elektrostriktivem Material vorhandene Spannungsabhängigkeit der
Auslenkung wird weitgehend kompensiert und die Auslenkung verläuft nahezu hysteresefrei
und spannungsunabhängig linear. Für die praktische Anwendung von elektromechanischen
Wandlern der genannten Art ist es besonders wichtig, daß die Auslenkung gerade auch
bei kleinen Ansteuerspannungen linear und hysteresefrei ist. Z.B. bei der Anwendung
in Videorekordern ist es ein Nachteil, wenn im Bereich kleiner Auslenkung um die
Nullage die Empfindlichkeit (Empfindlichkeit = Auslenkung/Feldstärke) sehr klein
wird.
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Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Weiterbildung anhand
der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen Fig. 1 einen Wandler mit einer Ansteuerschaltung (Prinzipschaltung)
nach der Weiterbildung Fig. 2 Spannungszufuhr mit Vorspannungen bei einem Wandler
nach der Weiterbildung Durch die Ansteuerung eines Wandlers mit einem Wandler-Körper
aus elektrostriktivem Material in Bimorphkonfiguration mit einer Schaltung, wie
sie in Fig. 1 dargestellt ist, wird die bei elektrostriktivem Material vorhandene
Spannungsabhängigkeit der Auslenkung weitgehend kompensiert.
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Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltung ist wie folgt:
Eine Eingangsspannung Ue, die in eine entsprechende Auslenxung z eines Wandlerkörpers
1 umgewandelt werden soll, wird auf die zur Auslenkung des Wandlerkörpers 1 nötige
Ampli-
tude mittels eines Verstärkers 3 verstärkt (Ua = V .Ue; V
= Verstärkungsfaktor) und an eine zwei Schichten 11 und 111 des Wandlerkörpers 1
gemeinsame Mittelelektrode 15 gelegt. Eine äußere Elektrode 5 der Schicht 11 des
Wandlerkörpers 1 wird auf eine positive Vorspannung +U gelegt, eine weitere äußere
EleKtrode 13 der Schicht 111 des Wandlerkörpers 1 wird auf eine negative Vorspannung
-Uv gelegt, wobei diese beiden Vorspannungen die Ansteuerspannung Ua betragsmäßig
immer übersteigen müssen. Es ergibt sich damit, daß die Spannung U1 an der ersten
Schicht 11 des Wandlerkörpers 1 durch U1 U2 + Uv = V ~ U + U und die Spannung 1
a v e v U2 an der zweiten Schicht 111 des Wandlerkörpers 1 durch u2 = Ua ~Uv = V
U Ue -Uv gegeben ist.
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= Ua v e v Der Spannungsverlauf am Bimorphelement gemäß der Weiterbildung
ist in Fig. 2 aufgetragen. Die spannungsunabhängige Linearisierung der Auslenkung
wird dadurch erzielt, daß sich die elektrostriktivem Material immanente nichtlineare
Auslenkung bei kleinen Steuerspannungen durch die beiden Vorspannungen +Uv und -Uv,
die die Ansteuerspannung Ua betragsmäßig übersteigen, gegenseitig kompensieren.
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Der Wand]erkörper 1 soll aus einem ferroelektrischen keramischen
Material bestehen, das bei Arbeitstemperaturen oberhalb der Curietemperatur einen
hohen Wert der Dielektrizitätskonstanten aufweist.
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Derartige Materialien werden z.B. als Dielektrika mit einer Dielektrizitätskonstanten
5000 < £< 20 000 für keramische Kondensatoren verwendet. Sie sind käuflich
erhältlich und in der einschlägigen Literatur ausführlich beschrieben.
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Für das hier beschriebene Ausführungsbeispiel wurde eine keramische
Masse der Formel (Ba0,87 Ca0,13) (Ti0,87Zr0,13)9# mit einem Zusatz von 1,7 Mol.%
NbO2,5, 1,7 Mol.% ZnO und einem Überschuß von 0,9 Mol.% Ti02 verwendet, wobei der
Wandlerkörper 1 auf folgende Weise hergestellt wird:
Das keramische
Ausgangsmaterial wird trocken ohne Zusatz von Bindemitteln verpreßt und bei einer
Temperatur von 1100 bis 11500C in neutraler Atmosphäre 5 bis 10 h vorgesintert.
Anschließend wird ein Scharfbrand bei einer Temperatur von 13500C mit einer Dauer
in der Größenordnung von 30 min ausgeführt. Aus den Sinterkörpern werden danach
mittels mechanischer Bearbeitung (z.B. Sägen, Polieren) Körper mit Abmessungen von
25 x 8 x 0,6 und 22 x 8 x 0,6 mm hergestellt. Auf der Ober- bzw. der Unterfläche
der so vorbereiteten Körper werden EleKtroden, hier beispielsweise aus Gold, durch
Aufdampfen angebracht. Die Elektroden, die einen ohmschen Kontakt bilden müssen,
können jedoch aus beliebigen, für Elektroden geeigneten Metallen oder Legierungen,
wie Kupfer, Silber, Nickel oder Nicxelchromlegierungen bestehen. Die Elektrodenschichten
können z.B. durch Aufspritzen oder Siebdrucken einer Paste mit anschließender Wärmebehandlung,
durch Aufdampfen oder durch stromlose Abscheidung aus einem Metallbad auf gleiche
Weise erhalten werden.
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Um einen bilaminaren Wandlerkörper 1 zu erhalten, werden jeweils zwei
der oben beschriebenen Körper, nämlich jeweils ein Körper der Abmessung 25 x 8 x
0,6 mm und einer der Abmessung 22 x 8 x 0,6 mm mittels einer Kunstharzkleberschicht
fest miteinander verbunden.
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Die kraftschlüssige Verbindung der beiden die Schichten des Wandlerkörpers
1 bildenden Körper Kann im Rahmen des fachmännischen Handelns jedoch auch auf beliebige
andere Weise erfolgen.
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Der auf die oben beschriebene Weise hergestellte Wandler-Körper 1
in Bimorphkonfiguration kann mit seinen beiden Elektroden 5 und 13 über Klemmenkontakte
17 mit den Anschlüssen der Schaltung gemäß Fig. 1 kontaktiert und gleichzeitig fest
eingespannt werden. Die Mittelelektrode 15 kann, ebenfalls über einen Klemmenkontakt
19, kontaktiert werden,
wenn einer der die beiden Schichten 11 und
111 des Wandlerkörpers 1 bildenden, miteinander fest verbundenen Körper etwas kürzer
ist, als der andere. Das trifft bei den beschriebenen Körpern mit jeweils einer
Abmessung von 25 x 8 x 0,6 mm oder 22 x 8 x 0,6 mm zu.
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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 Dielektrizitätskonstanten von £ #> 5000 ebenso geeignet.
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