DE3146986A1

DE3146986A1 - "elektromechanischer wandler"

Info

Publication number: DE3146986A1
Application number: DE19813146986
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr. 8501 Gsteinach Schewe; Otto 8520 Erlangen Schmidt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1981-11-26
Filing date: 1981-11-26
Publication date: 1983-06-01

Description

Elektromechanischer Wandler Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromechanischen Wandler mit zwei Piezoelementen, deren Flachseiten elektrisch leitende Bereiche enthalten, die als Elektroden dienen.
Piezoelektrische Elemente werden bekanntlich auf verschiedenen technischen Gebieten, beispielsweise in hochfrequenztechni schen und elektroakustischen Einrichtungen, verwendet. Der vorzugsweise flache piezoelektrische Grundkörper ist im allgemeinen in Richtung seiner Dicke polarisiert und die beiden Flachseiten sind Jeweils mit einer Elektrode elektrisch leitend verbunden.
In Richtung der Flachseiten einander gegenUberliegende Enden des Grundkörpers sind mechanisch eingespannt. Die Signalbildung erfolgt somit infolge der Durchbiegung des Films in Richtung der mechanischen Belastung (US-Patent 3 940 637).
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Wandler anzugeben, dessen pyroelektrischer Effekt wenigstens annähernd kompensiert wird.
Es ist bereits bekannt, bei elektromechanischen Wandlern mit piezoelektrischem Grundkörper, die zur Erfassung und Uberwachung der Funktionen des menschlichen Körpers, insbesondere zur Aufnahme eines sogenannten Mechanogramms bei Säuglingen, dienen, den pyroelektrischen Effekt durch ein zusätzliches Piezoelement zu kompensieren. Dieses zusätzliche Element ist neben dem zur Aufnahme der mechanischen Belastung vorgesehenen aktiven Piezoelement auf einem gemeinsamen Kunststoffkörper angeordnet. Die durch Kraftwirkung über einen Stempel am aktiven Element erzeugte Ladung wird durch einen Ladungsverstärker zur Weiterverarbeitung in ein Spannungssignal umgewandelt (Siemens Forscliungs- und Entwicklungsberichte, Bd. 10 (1981), Nr. 2, 5. 104 und 105).
Abweichend von dieser bekannten Ausführungsform wird die genannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Die beiden Piezoelemente bilden in gutem thermischen Kontakt als Bimorph-Element eine gemeinsame Baueinheit. Sie sind Jeweils mit einer ihrer Flachseiten zusammengeklebt und somit in Richtung der mechanischen Belastung hintere inander angeordnet. Diese Baueinheit liegt am Rand auf, so daß bei mechanischer Belastung im oberen Element Druckkräfte und im unteren Element Zugkräfte entstehen. Hierbei addieren sich die Piezoeffekte der beiden Elemente, während sich die Pyroeffekte kompensieren.
Die gleiche Wirkung erhält man mit Piezoelementen, die elektrisch in Reihe geschaltet und in Richtung der mechanischen Belastung entgegengesetzt polarisiert sind.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figuren 1 und 2 jeweils ein Ausführungsbeispiel eines elektromechanisehen Wandlers nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist.
In der Ausführungsform eines elektromechanischen Wandlers nach Figur 1 ist ein Piezoelement 2 mit einem scheibenförmigen Grundkörper 4 aus piezoelektrischem Material, beispielsweise Piezokeramik, der an seinen beiden Flachseiten jeweils mit einer Auflage 6 bzw. 8 aus elektrisch leitendem Material versehen ist, an seiner unteren Flachseite mit einem weiteren Piezoelement 12 verbunden, das einen Grundkörper 14 aus piezoelektrischem Material enthält und an seiner unteren Flachseite ebenfalls mit einer elektrisch leitenden Auflage 16 versehen ist. Die Randbereiche der Baueinheit aus den beiden Piezoelementen 2 und 12 ruhen jeweils auf einem Auflager 18 bzw. 19, die beispielsweise durch Erhöhungen einer Platte 20 gebildet werden können. Die mittlere Auflage 8 ist mit einem elektrischen Anschlußleiter 22 verbunden und dient als gemeinsame Elektrode. Die Auflage 6 an der oberen Flachseite des Piezoelementes 2 und die untere Auflage 16 des Piezoelementes 12 sind mit einem gemeinsamen elektrischen Anschluß leiter 24 versehen, so daß die Piezoelemente 2 und 12 elektrisch parallelgeschaltet sind. Durch die mechanische Belastung einer Kraft P werden zwar die beiden Piezoelemente 2 und 12 in Richtung dieser einwirkenden Kraft P durchgebogen. Es entstehen jedoch unter der Wirkung der beiden Auflager 18 und 19 in dem oberen Piezoelement 2 im wesentlichen Kontraktionskräfte und in dem unteren Piezoelement 12 Dehnungskräfte. Durch diese unterschiedliche Wirkung werden mit der angegebenen Polarisationsrichtung innerhalb der Grundkörper 4 und 14 die Piezoladungen der beiden Piezoelemente 2 und 12 addiert und die Pyroladungen kompensiert.
In der Ausführungsform eines elektromechanischen Wandlers nach Figur 2 sind die beiden Piezoelemente 2 und 12 ebenfalls in gutem thermischen Kontakt in Richtung der mechanischen Belastung P hintereinander angeordnet, jedoch entgegengesetzt polarisiert. Die Elektroden 6 und 16 an den äußeren Flachseiten sind jeweils mit einem elektrischen Anschlußleiter 26 bzw 28 versehen, so daß die Piezoelemente 2 und 12 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Unter der Wirkung der Auflager 18 und 19 wird auch in dieser Ausführungsform das Piezoelement 2 gestaucht und das Piezoelement 12 gestreckt. Damit erhält man eine Addition der Piezospannungen und eine Kompensation der Pyrospannungen# 3 Patentansprüche 2 Figuren Leerseite

Claims

PateAtansprUche @ Elektromechanischer Wandler mit zwei gleichartigen Piezoelementen, deren Flachseiten elektrisch leitende Bereiche enthaltene die als Elektroden dienen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden Piezoelemente (2, 12 bzw. 22, 32) eine zur gemeinsamen mechanischen Belastung (P) vorgesehene Baueinheit bilden und daß sie in Richtung einer mechanlschen Belastung (P) derart storf9chlssig hintereinander angeordnet sind, daß durch die Belastung (p) das eine Piezoelement (2) gestaucht und das andere Piezoelement (12) gestreckt wird.
2. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden Piezoelemente (2, 12) elektrisch parallelgeschaltet sind und daß die der mechanischen Belastung (P) gegentiberliegende Flachseite in ihren Randbereichen mit wenigstens einem Auflager (18, 19) versehen ist.
3. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die beiden Piezoelemente (2, 12) in Richtung der Belastung (P) entgegengesetzt polarisiert sind und elektrisch in Reihe geschaltet sind