DE3146986A1

DE3146986A1 - Electromechanical transducer

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

Abstract

The transducer contains two piezoelectric elements (2, 12), the flat sides of which are provided with electrically conducting areas which are used as electrodes (6, 8, 16). The two piezoelectric elements (2, 12) form a constructional unit intended for joint mechanical loading (T) and are arranged behind one another in the direction of mechanical loading (P) in such a manner that one piezoelectric element (2) is compressed and the other one is stretched by the loading. In this embodiment of the transducer, the piezoelectrical effects of the two piezoelectric elements (2, 12) add whilst the pyroelectrical effects cancel. <IMAGE>

Description

Elektromechanischer Wandler Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromechanischen Wandler mit zwei Piezoelementen, deren Flachseiten elektrisch leitende Bereiche enthalten, die als Elektroden dienen.Electromechanical converter The invention relates to an electromechanical converter Converter with two piezo elements, the flat sides of which are electrically conductive areas that serve as electrodes.

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.Piezoelectric elements are known to be based on various technical Areas, for example in high-frequency technical and electroacoustic facilities, used. The preferably flat piezoelectric base body is generally polarized in the direction of its thickness and the two flat sides are each with electrically connected to an electrode.

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).Opposite ends of the base body in the direction of the flat sides are mechanically clamped. The signal is thus generated as a result of the deflection of the film in the direction of mechanical stress (U.S. Patent 3,940,637).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Wandler anzugeben, dessen pyroelektrischer Effekt wenigstens annähernd kompensiert wird.The invention is now based on the object of a piezoelectric Specify converter whose pyroelectric effect compensates at least approximately will.

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).It is already known in electromechanical transducers with piezoelectric Basic body, which is used to record and monitor the functions of the human body, serve in particular to record a so-called mechanogram in infants, to compensate for the pyroelectric effect with an additional piezo element. This additional element is next to the for Inclusion of mechanical Load provided active piezo element on a common plastic body arranged. The force generated by a stamp on the active element Charge is converted into a voltage signal by a charge amplifier for further processing converted (Siemens Research and Development Reports, Vol. 10 (1981), No. 2, 5. 104 and 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.Deviating from this known embodiment is the one mentioned The object is achieved according to the invention with the characterizing features of claim 1. The two piezo elements form a bimorph element in good thermal contact a common structural unit. They are each glued together with one of their flat sides and thus arranged one behind the other in the direction of the mechanical load. These The unit rests on the edge, so that in the event of mechanical stress in the upper element Compressive forces and tensile forces in the lower element arise. Here the add up Piezo effects of the two elements, while the pyro effects compensate each other.

Die gleiche Wirkung erhält man mit Piezoelementen, die elektrisch in Reihe geschaltet und in Richtung der mechanischen Belastung entgegengesetzt polarisiert sind.The same effect is obtained with piezo elements that are electrical connected in series and polarized in the opposite direction in the direction of the mechanical load are.

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.To further explain the invention, reference is made to the drawing taken, in which Figures 1 and 2 each show an embodiment of an electromechanical Converter according to the invention is illustrated schematically.

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 the embodiment of an electromechanical converter according to FIG 1 is a piezo element 2 with a disk-shaped base body 4 made of piezoelectric Material, for example piezoceramic, which is on both of its flat sides each is provided with a support 6 or 8 made of electrically conductive material, connected on its lower flat side with a further piezo element 12, the one Contains base body 14 made of piezoelectric material and on its lower flat side is also provided with an electrically conductive pad 16. The edge areas the structural unit consisting of the two piezo elements 2 and 12 each rest on a support 18 and 19, which are formed, for example, by elevations of a plate 20 can. The middle support 8 is connected to an electrical connection conductor 22 and serves as a common electrode. The support 6 on the upper flat side of the piezo element 2 and the lower support 16 of the piezo element 12 are connected to a common electrical Connection head 24 is provided so that the piezo elements 2 and 12 are electrically connected in parallel are. Due to the mechanical loading of a force P, the two piezo elements 2 and 12 bent in the direction of this acting force P. However, it does arise under the action of the two supports 18 and 19 in the upper piezo element 2 in the essential contraction forces and in the lower piezo element 12 expansion forces. Due to this different effect, with the specified direction of polarization within the base bodies 4 and 14, the piezo charges of the two piezo elements 2 and add 12 and compensate for the pyrolytic charges.

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 LeerseiteIn the embodiment of an electromechanical converter according to FIG 2, the two piezo elements 2 and 12 are also in good thermal contact arranged one behind the other in the direction of the mechanical load P, but in opposite directions polarized. The electrodes 6 and 16 on the outer flat sides are each with one electrical connection conductors 26 and 28, respectively, so that the piezo elements 2 and 12 are electrically connected in series. Under the action of the supports 18 and 19 also in this embodiment the piezo element 2 is compressed and the piezo element 12 stretched. This results in an addition of the piezo voltages and a compensation of pyro voltages # 3 claims 2 figures Blank page

Claims

PateAtansprUche @ Electromechanical converter with two similar Piezo elements whose flat sides contain electrically conductive areas as Electrodes serve that the two piezo elements (2, 12 or 22, 32) one provided for common mechanical loading (P) Form unit and that they are in the direction of a mechanical load (P) in such a way are arranged one behind the other so that the load (p) causes one Piezo element (2) is compressed and the other piezo element (12) is stretched.

2. Electromechanical converter according to claim 1, d a d u r c h g e it is not indicated that the two piezo elements (2, 12) are electrically connected in parallel and that the flat side opposite the mechanical load (P) is in its edge areas is provided with at least one support (18, 19).

3. Electromechanical converter according to claim 1, d a d u r c h g e It is not indicated that the two piezo elements (2, 12) are in the direction of the load (P) are oppositely polarized and are electrically connected in series