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Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Vorrichtung mit zumindest einem piezoelektrischen Element, welches in der Kontaktebene zu zumindest einem Auflageelement eine anisotrope ther- mische Ausdehnung aufweist, so dass in einer Richtung der Kontaktebene ein maximaler Ausdeh- nungsunterschied zwischen dem piezoelektrischen Element und dem Auflageelement besteht.
Bei der Verwendung von piezoelektrischen Kristallelementen, beispielsweise für piezoelektn- sche Messelemente (Sensoren) oder piezoelektrischen Ultraschallwandlern, kann an den Kontakt- flächen zwischen dem Kristallmaterial und den angrenzenden Auflageelementen - beispielsweise zur Krafteinleitung bei Druckwandlern - eine nachteilige Querspannung auftreten, welche aus dem anisotropen Wärmedehnungsverhalten vieler Kristallmaterialien resultiert.
In einem Drucksensor, weicher den longitudinalen Piezoeffekt ausnützt, werden beispielsweise mehrere scheibenförmige piezoelektrische Elemente aufeinander gestapelt, wobei die kristallogra- phische x-Achse parallel zur Flächennormale der einzelnen Elemente steht und auch die Kraftein- leitung parallel zur x-Achse erfolgt. Die optische z-Achse spannt mit der y-Achse des Kristallele- mentes eine Ebene auf, welche parallel zu den Kontaktflächen ausgenchtet ist. Nun weist bei- spielsweise Quarz in der y- und der z-Achse verschiedene Ausdehnungskoeffizienten auf. Um Schubspannungen innerhalb eines Stapels piezoelektrischer Elemente zu vermeiden, werden ge- mäss AT 271. 947 B alle Elemente so angeordnet, dass ihre y- und z-Achsen in die gleiche Richtung weisen, sich also decken.
Da alle piezoelektrischen Elemente des Stapels aus dem gleichen Mate- rial bestehen und bezüglich ihrer Achsen gleich ausgerichtet sind, entsteht in dem zusammenge- setzten Messelement keine Scher- bzw. Schubspannung aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung in unterschiedlichen Achsrichtungen, allerdings werden derartige Spannungen dann hervorgerufen, wenn der Messelementstapel zwischen krafteinleitende Auflageelemente eingebaut wird. Aus der AT 271.947 B ist es nun bekannt, zwischen dem Messelementestapel und den Aufla- geelementen aus isotropem Material eine sogenannte Ableit- bzw. Deckplatte einzufügen, die aus dem selben Material wie die piezoelektrischen Elemente bestehen, welche allerdings durch aufge- dampfte Metallschichten elektrisch kurzgeschlossen sind.
Dadurch können störende Ladungsantei- le, hervorgerufen durch auftretende Quer- und Schubspannungen, weitgehend vermieden werden Nachteilig bei dieser Art der Problemlösung ist allerdings die Tatsache, dass damit mechanische Spannungen, welche an den Kontaktflächen zu den thermisch isotropen Auflageelementen auftre- ten, nicht vermieden werden können, was zu Rissbildungen und Zerstörungen angrenzender Schichten führen kann.
Die nachteiligen Eigenschaften der Anisotropie einiger Stoffwerte piezoelektrischer Kristalle, wie anisotrope Wärmedehnung oder Querdehnung wird auch in der DE 196 51 227 C behandelt.
Bei Erwärmung und bei Druckbelastung dehnen sich an den Kontaktflächen das Messelement und das Auflager zumindest in einer Richtung unterschiedlich aus und es kommt daher zum reibungs- behafteten Gleiten der Teile aufeinander oder zu starken Verspannungen sowohl des Auflagers als auch des Messelementes, weil isotropes und anisotropes Material bestenfalls in einer Richtung dehnungsangepasst sein können. Meist wird daher das Material des Auflageelementes so gewählt, dass sein Wärmedehnungskoeffizient zwischen den jeweiligen Extremwerten des piezoelektri- schen Kristallelementes gemessen in der Ebene der Berührungsflächen liegt, so dass auf diese Weise eine Beschränkung der Verspannungen bzw. der Gleitvorgänge erreicht werden kann.
Zur Lösung des Problems schlägt nun die DE 196 51 227 C vor, das piezoelektrische Messelement oder die dem piezoelektrischen Messelement zugekehrten Endbereiche beider Auflager in mehrere stab-, rollen- oder stegförmige Elemente zu unterteilen. Weiters müssen die beiden Auflager und das piezoelektrische Messelement in Langsrichtung der stab-, rollen- oder stegförmigen Elemente normal auf die Richtung der Krafteinleitung im Wesentlichen dieselbe Wärmedehnung oder Quer- dehnung aufweisen. Die Bruchgefahr wird somit dadurch reduziert, dass entweder das piezoelekt- rische Element oder die beiden Auflageelemente in kleine Elemente unterteilt werden, um so in den einzelnen, verkleinerten Kontaktflächen die Dehnungsunterschiede und somit die sich aufbau- enden Materialspannungen gering zu halten.
Nachteiligerweise sind derartige Massnahmen in der Herstellung sehr aufwendig bzw. für manche Anwendungsbereiche, wie etwa Resonatoren bzw.
Ultraschallwandler, nicht zielführend anwendbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es geeignete Massnahmen vorzuschlagen, um bei den eingangs beschriebenen piezoelektrischen Vorrichtungen, wie piezoelektrischen Messelementen oder Resonatoren die Belastungen im Kontaktbereich zwischen anisotropen, piezoelektrischen
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Messelementen und den Auflageelementen auf einfache Weise zu minimieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zwischen dem piezoelektrischen Element und dem Auflageelement mindestens ein Anpassungselement angeordnet ist, dessen anisotrope thermische Ausdehnung in der Ebene seiner beiden Kontaktflächen zumindest in der Richtung der maximalen Ausdehnungsunterschiede zwischen jener des piezoelektrischen Elemen- tes und des Auflageelementes liegt.
Bei vielen Anwendungen bestehen Probleme hauptsächlich in einer Richtung der Kontaktebe- ne, nämlich in jener mit dem maximalen Ausdehnungsunterschied zwischen dem meist isotropen Auflager und dem thermisch anisotropen Messelement. Beispielsweise kann bei Quarz-Elementen meist ein passendes Auflageelement, beispielsweise aus einer Spezialstahllegierung, gewahlt werden, dessen thermische Ausdehnung z. B. ungefähr jener entlang der kristallographischen y-Achse des piezoelektrischen Elementes entspricht. Die Richtung der maximalen Ausdehnungs- unterschiede ist in diesem Fall die Richtung der optischen z-Achse des piezoelektrischen Elemen- tes.
Durch Auswahl eines Anpassungselementes mit Ausdehnungskoeffizienten, welche zwischen jenen des piezoelektrischen Messelementes und dem Auflageelement liegen, wird die mechani- sche Belastung reduziert und die Bruchgefahr herabgesetzt
Beispielsweise können Galliumorthophosphat -x-Plattchen als Messelemente mit Kaliumtita- nylphosphat-z-Plättchen als Anpassungselementen kombiniert werden.
Die Ausdehnungskoeffi- zienten a im Bereich 20 bis 100 C in den Kontaktebenen sind wie folgt:
EMI2.1
<tb> Material <SEP> Richtung <SEP> x <SEP> 10-6/K <SEP> x10-6/K
<tb> GaP04 <SEP> z <SEP> bzw. <SEP> y <SEP> az <SEP> = <SEP> 3,9 <SEP> ay <SEP> = <SEP> 11,8 <SEP>
<tb>
<tb> KTi02P04 <SEP> x <SEP> bzw. <SEP> y <SEP> ax <SEP> = <SEP> 6,8 <SEP> ay <SEP> = <SEP> 9,6
<tb>
<tb>
<tb> Spezialstahl <SEP> isotrop <SEP> 8,6 <SEP> 8,6
<tb>
Die Ausdehnungsunterschiede zwischen GaP04 und Stahl können somit durch ein Anpas- sungselement aus KTi02P04 sowohl in z- als auch in y-Richtung des piezoelektrischen Elementes im Wesentlichen halbiert werden. Es ist auch möglich nichtkristallines Material als Anpassungsele- ment zu verwenden, beispielsweise kohlefaserverstärkte Stähle, welche bei gleichgerichteter An- ordnung der Kohlefasern ein anisotropes Ausdehnungsverhalten zeigen.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass das Anpassungselement aus dem selben Kristallmatenal wie das piezoelektrische Element besteht, wobei die optische z-Achse des Anpassungselementes in Bezug auf die Kontaktflächen einen spit- zen Winkel einschliesst und wobei insbesondere die Projektion z' der optischen z-Achse des An- passungselementes auf die Kontaktflächen des Anpassungselementes im Wesentlichen parallel oder antiparallel zur optischen z-Achse des piezoelektrischen Elementes ausgerichtet ist.
Vorteilhafterweise kann somit durch einen geeigneten Knstallschnitt aus dem Kristallmaterial des piezoelektrischen Elementes ein Anpassungselement hergestellt werden, dessen optische z-Achse - beispielsweise bei Ausnützung des longitudinalen Piezoeffektes - um die y-Achse ge- dreht wird, so dass die optische z-Achse des Anpassungselementes in Bezug auf dessen Kontakt- flächen einen Winkel 8einschliesst. Bevorzugt sollte die Projektion z' der optischen z-Achse des Anpassungselementes auf dessen Kontaktflächen parallel oder entgegengesetzt parallel zur opti- schen z-Achse des piezoelektrischen Elementes ausgerichtet sein, wobei allerdings Abweichungen um einige Winkelgrade zulässig sind.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die erfindungsgemässen Anpassungselemente in Ab- hangigkeit vom Winkel 9 einen Beitrag zum Signal beispielsweise eines Drucksensors liefern kon- nen.
Wenn man mit Ó2 den Ausdehnungskoeffizienten in Richtung der z-Achse und mit ax jenen in Richtung der kristallographischen x-Achse bezeichnet, so ergibt sich für den Ausdehnungskoeffi- zienten Ó2 (Ausdehnung in Richtung der Projektion z') folgender Zusammenhang: az. = az cos2 # + ax sin2 # (1)
Mit Hilfe von (1) lässt sich für konkrete Anwendungsbeispiele, bei welchen der Ausdehnungs- koeffizient des isotropen Auflageelementes und jener des anisotropen piezoelektrischen Elementes
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bekannt sind, der Schnittwinkel 9 für das Anpassungselement berechnen, um eine optimale An- passung zu erreichen:
sin2 9 = (az. - Óz)/(Óx-Óz) (2)
Weiters ist es gemäss vorliegender Erfindung auch möglich, zwischen dem piezoelektrischen Element bzw. einem Stapel mehrerer piezoelektrischer Elemente und dem Auflageelement mehre- re Anpassungselemente anzuordnen, wobei zwischen dem piezoelektrischen Element bzw. einem Stapel mehrerer piezoelektrischer Elemente und dem Auflageelement mehrere Anpassungsele- mente angeordnet sind, deren thermische Ausdehnung in Richtung der maximalen Ausdehnungs- unterschiede jeweils abgestuft ist, derart, dass die Ausdehnungsunterschiede zwischen jeweils aneinandergrenzenden Elementen möglichst minimiert sind. Hier kann mit Hilfe von (1) bzw.
(2) die Anpassung der Unterschiede im Ausdehnungskoeffizient auf mehrere Anpassungselemente aufge- teilt werden, so dass der Ausdehnungsunterschied zwischen dem isotropen Auflageelement und der z-Richtung des piezoelektrischen Elementes auf beispielsweise drei Anpassungselemente auf- geteilt wird und die jeweiligen Schnittwinkel für die drei Anpassungselemente berechnet werden
Bei Quarz-x-Plättchen als Messelemente M, mit um die y-Achse gedrehten x-Plättchen als An- passungselemente A1 bis A3 ergeben sich folgende Drehwinkel 9 für eine optimale Anpassung
EMI3.1
EMI3.2
<tb> Quarz <SEP> M <SEP> 0 <SEP> 7,5 <SEP> 15,6
<tb>
<tb> Quarz <SEP> A1 <SEP> 27 <SEP> 9,1 <SEP> 15,6
<tb>
<tb> Quarz <SEP> A2 <SEP> 39 <SEP> 10,7 <SEP> 15,6
<tb>
<tb> Quarz <SEP> A3 <SEP> 51 <SEP> 12,4 <SEP> 15,6
<tb>
<tb> S <SEP> ezialstahl <SEP> isotrop <SEP> 14,0 <SEP> 14,
0
<tb>
Durch die gewählte Massnahme kann der grosse Ausdehnungsunterschied in z-Richtung zwi- schen Quarz (7,5,10-6/k) und Stahl (14,0.10-6/K) auf vier relativ kleine Schritte von jeweils ca.
1,6.10'6/K aufgeteilt werden. Aufgrund der Kristallsymmetrie bei Quarz und GaP04 ist die Ausdeh- nung in x- und y-Richtung exakt gleich gross.
Die erfindungsgemässen Massnahmen eignen sich sowohl für piezoelektrische Messelemente, bei welchen zwischen zwei krafteinleitenden Auflageelementen zumindest ein piezoelektrisches Element angeordnet ist, wobei zwischen jedem der Auflageelemente und dem zumindest einen piezoelektrischen Element zumindest ein Anpassungselement vorgesehen ist als auch für piezo- elektrische Resonatoren bzw. Ultraschallwandler-Anordnungen, wobei zwischen einem piezoelek- trischen Element und einem Auflageelement, in welches Ultraschallwellen eingestrahlt bzw aus welchem Ultraschallwellen detektiert werden, zumindest ein Anpassungselement, vorzugsweise durch Kleben oder Löten, befestigt ist.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 die erfindungsgemässe piezoelektrische Vorrichtung anhand eines piezoelektrischen Druckaufnehmers, Fig. 2 eine Ausführungsvariante eines Druckaufnehmers mit mehreren Anpas- sungselementen, Fig. 3 eine Vanante des Messwandlers unter Ausnutzung des transversalen Piezoeffektes sowie Fig. 4 die erfindungsgemässe Vorrichtung anhand einer Ultraschallwandler-An- ordnung.
Der in Fig. 1 dargestellte piezoelektrische Druckaufnehmer 1 weist ein piezoelektrisches Ele- ment 2 auf, welches in Ausnützung des longitudinalen Piezoeffektes parallel zur kristallographi- schen x-Achse über das obere Auflageelement 3 mit der Kraft F beaufschlagt wird Daraus resul- tiert am entgegengesetzten Auflageelement 3 eine Gegenkraft G. Das piezoelektrische Element 2 (z. B. aus GaP04) weist in der Kontaktebene 4 eine anisotrope thermische Ausdehnung auf, welche in Richtung der optischen z-Achse des piezoelektrischen Elementes 2 einen maximalen Ausdeh- nungsunterschied im Hinblick auf die thermisch isotropen Auflageelemente 3 erreicht.
Der thermi- sche Ausdehnungskoeffizient des piezoelektrischen Elementes 2 in Richtung der kristallographi- schen y-Achse stimmt bevorzugt mit jenem der Auflageelemente 3 überein, kann aber auch gering- fügig davon abweichen Zur besseren Anpassung der thermischen Ausdehnung ist nun zu beiden
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Seiten des piezoelektrischen Elementes 2 in Zwischenlage zum jeweiligen Auflageelement 3 ein Anpassungselement 5 angeordnet. Jedes der Anpassungselemente 5 (z. B. aus GaP04) weist zu- mindest in der Ebene seiner beiden Kontaktflächen 6 eine anisotrope thermische Ausdehnung auf, welche in der Richtung der maximalen Ausdehnungsunterschiede (im dargestellten Beispiel in Richtung der z-Achse des piezoelektrischen Elementes 2) zwischen jener des piezoelektrischen Elementes 2 und des isotropen Auflageelementes 3 liegt.
Im vorliegenden Beispiel wird der Ausgleich der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung mit Hilfe von Anpassungselementen 5 erreicht, deren optische z-Achse in Bezug auf die Kontakt- flächen 6 um einen Winkel 9 gekippt bzw. um die y-Achse gedreht ist. Die thermische Ausdehnung in Richtung der Projektion z' (Projektion der z-Achse auf die Kontaktfläche 6) liegt zwischen jener des piezoelektrischen Elementes 2 in Richtung z-Achse und jener der isotropen Auflage 3. Weiters ist die Projektion z' der optischen z-Achse des Anpassungselementes 5 parallel oder antiparallel zur optischen z-Achse des piezoelektrischen Elementes 2 ausgerichtet.
Die hier nicht weiter dargestellte Ladungsableitung erfolgt in bekannter Weise über an den Deckflächen des piezoelektrischen Elementes 2 angeordnete Elektroden (z. B. aufgedampfte Me- tallelektroden) und entsprechende Ableitungen.
Wie in Fig. 2 in einer seitlichen Ansicht dargestellt, können auch mehrere piezoelektrische Ele- mente 2 zu einem Stapel 7 zusammengefasst und zwischen Auflageelementen 3 angeordnet sein.
Im Stapel 7 sind die einzelnen piezoelektrischen Elemente 2 so angeordnet, dass sich ihre z-Ach- sen decken bzw. die y-Achsen entgegengesetzt parallel ausgerichtet sind und somit innerhalb des Stapels keine Scher- bzw. Schubspannungen auftreten. Als Zwischenlage zu den beiden Auflage- elementen 3 können auf beiden Seiten des Stapels 7 mehrere Anpassungselemente 5 angeordnet
EMI4.1
schiede in z-Richtung stufenweise anzupassen. Zur Veranschaulichung sind jeweils die unter- schiedliche Ausrichtung der x-Achsen sowie der optischen z-Achsen der Anpassungselemente 5 eingetragen.
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