DE3142684A1

DE3142684A1 - "elektromechanischer wandler"

Info

Publication number: DE3142684A1
Application number: DE19813142684
Authority: DE
Inventors: Axel Dr. 5100 Aachen Schnell
Original assignee: Philips Patentverwaltung GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 1981-10-28
Filing date: 1981-10-28
Publication date: 1983-05-05

Description

EleKtromechanischer Wandler
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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').
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.
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'.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Patentansprüche: Ele#tromechanischer Wandler mit 2n, aus einem piezoeleKtrischen oder elextrostrixtiven Material bestehenden, einen Stapel bildenden, streifenförmigen, an ihren Hauptflächen mit Elextroden bedeckten Schichten von denen jeweils n eine.Stapelhälfte bildende Schichten beiderseits der Mitte des Stapels liegen, und mit Ein richtungen zum Zuführen von Spannungen an die EleKtroden zur Bildung von senKrecht zu den Hauptflächen der Schichten stehenden eleKtrischen Feldern, dadurch gekennzeichnet, daß die DicKe der Schichten Jeder Stapelhälfte 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.
2. EleKtromechanischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch getennzeichnet, daß die Schichtdicke der Schicht dnw ausgehend von der Anzahl n der Schichten in Jeweils einer Stapelhälfte, gegeben ist durch: wobei d1 die Schichtdicze der dicKsten Schicht ist.
3. Elextromechanischer Wandler nach Anspruch 19 dadurch gekennzeichnet, daß der aus den streifenförmigen Schichten gebildete Stapel an seinem einen Ende in einer Halterung fixiert ist und daß die freie Länge des Stapels senkrecht zu seinen Hauptflächen auslenkbar ist.
4. Elettromechanischer Wandler nach Anspruch 3, dadurch gexennzeichnet, daß das Verhältnis von freier Länge zur GesamtdicKe des Stapels 5 : 1 bis 100 : 1 beträgt.
5. EleKtromechanischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen Schichten aus einem Material bestehen, dessen Wert für die piezoelektrische Ladungskonstante d31 mindestens 150 . 10-12 m/V beträgt.
6. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen Schichten aus einer ferroelektrischen Mischkristallteramik bestehen auf der Basis von: Pb1-a Ma (Mg(1-b)/3 Mnb/3 Sb2/3)x TiyZr2O3, worin bedeuten: M = mindestens ein Erdalkalimetall wie Ca, Sr, Ba 0 # a # 0,15 0 # b # 0,20 0,01 k x # 0,25 0,40 k y # 0,55 0,20 # z # 0,59 x + y + z = 1.
7. EleKtromechanischer Wandler nach Anspruch 6, dadurch getennzeichnet, daß di die Mischkristallkeramik folgende Zusammensetzung aufweist: Pb0,95 Sr0,05 (Mg1/3 zuSb2/3)0,15 Ti0,45 Zr0,40 03.