DD288485A5 - ELECTROMECHANICAL BENDING ELEMENT - Google Patents

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DD288485A5 DD89333291A DD33329189A DD288485A5 DD 288485 A5 DD288485 A5 DD 288485A5 DD 89333291 A DD89333291 A DD 89333291A DD 33329189 A DD33329189 A DD 33329189A DD 288485 A5 DD288485 A5 DD 288485A5
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electromechanical
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Konrad Voigt
Wolfgang Geiss
Guenter Helke
Thomas Hennig
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  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Biegeelement, das aus mindestens drei Lamellen besteht und findet z. B. Anwendung bei Praezisionsgeraeten. Erfindungsgemaesz uebt die innere, aus ferroelektrischem Material bestehende Lamelle auf die aeuszeren, aus piezoelektrischem oder elektrostriktivem Material bestehenden Lamellen eine Druckspannung aus. Zur Ausgestaltung der Erfindung werden Varianten der Polarisierung der einzelnen Lamellen angegeben. Fig. 1{Biegeelement, elektromechanisch; Lamellen; Praezisionsgeraet; Lamelle, innen, ferroelektrisch; Lamellen, auszen, piezoelektrisch, elektrostriktiv; Druckspannung}The invention relates to an electromechanical bending element, which consists of at least three fins and finds z. B. Application for precision devices. According to the invention, the inner lamella made of ferroelectric material exerts a compressive stress on the external lamellae made of piezoelectric or electrostrictive material. For the embodiment of the invention variants of the polarization of the individual slats are given. Fig. 1 {bending element, electromechanical; slats; Praezisionsgeraet; Lamella, inside, ferroelectric; Lamellae, auszen, piezoelectric, electrostrictive; Compressive stress}

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektronischen Bauelemente. Sie betrifft ein elektromechanisches Biegeelement, das aus mindestens zwei äußeren Lamellen und mindestens einer inneren Lamelle besteht, zwischen denen Elektroden angeordnet sind, wobei alle Lamellen flächig und deckungsgleich miteinander verbunden sind. Das Biegeelement wird insbesondere für den Einbau in Präzisionsgeräte angewendet.The invention relates to the field of electronic components. It relates to an electromechanical bending element, which consists of at least two outer plates and at least one inner plate, between which electrodes are arranged, wherein all the plates are connected flat and congruent with each other. The bending element is used in particular for installation in precision devices.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Elektromechanische Biegeelemente sind in vielfältigen Konstruktionsformen bekannt. So werden beispielsweise Streifen aus piezoelektrischem Material, die entsprechend mit Elektrodenschichten versehen sind, miteinander flächig vorklebt. Dieser Streifenverbund wird zumeist einseitig eingespannt (DE 3240884). Die einzelnen Streifen sind entsprechend polarisiert, damit beim Anlegen einer elektrischen Spannung die gewünschte Verbiogung erzielt wird.Electromechanical bending elements are known in various forms of construction. Thus, for example, strips of piezoelectric material, which are correspondingly provided with electrode layers, glued to each other surface. This strip composite is usually clamped on one side (DE 3240884). The individual strips are correspondingly polarized, so that when creating an electrical voltage, the desired Verbiogung is achieved.

Um bei einer vorgegebenen Konstruktion hohe Werte für die Verbiegung bzw. die Stellkraft zu erzielen, müssen Werkstoffe mit hohen piezoelektrischen Deformationskonstanten senkrecht zum angelegten Feld (Querdeformation) eingesetzt werden. Gerade die Biegeelemente aus solchen Werkstoffen mit einer maximalen Querdeformation, weisen aber sehr geringe Zugspannungsfestigkeiten auf, so daß es zum Zerreißen der aktiven Keramiklamelle kommen kann, insbesondere dann, wenn das Biegeelement mechanisch belastet wird, also gegen eine äußere Kraft arbeiten muß. Diese Tatsache, steht dem Einsatz von Werkstoffen mit sehr großer Querdaformation entgegen bzw. beschränkt deren Einsatz auf kleine Verbiegungen und kleine Kräfte.In order to achieve high values for the bending or the setting force in a given design, materials with high piezoelectric deformation constants perpendicular to the applied field (transverse deformation) must be used. Especially the bending elements of such materials with a maximum transverse deformation, but have very low tensile strength, so that it can cause the tearing of the active ceramic blade, especially if the bending element is mechanically stressed, ie must work against an external force. This fact is contrary to the use of materials with very large Querdaformation or limited their use to small bends and small forces.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ein elektromechanisches Biegeelement zu realisieren, das bei Verwendung eines piezoelektrischen oder elektrostriktion Werkstoffes mit großen Querdeformat!onen im Betriebszustand, einen breiteren Einsatz ermöglicht, auch wenn große auftretende Zugspannungen dem entgegenstehen.The aim of the invention is to realize an electromechanical bending element, which when using a piezoelectric or elektrostriktion material with large transverse deformation ! On operation, a wider use possible, even if large occurring tensile stresses oppose that.

Darlegung den Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein elektromechanisches Biegeelement zu schaffen, dessen neuartiger Aufbau esThe object of the invention is to provide an electromechanical bending element whose novel structure it

gewährleistet, daß das Ziel der Erfindung erreicht wird.ensures that the object of the invention is achieved.

Das elektromechanische Biegeelement besteht aus mindestens zwei äußeren Lamellen und mindestens einer inneren Lamelle,The electromechanical bending element consists of at least two outer plates and at least one inner plate,

zwischen denen Elektroden angeordnet sind. Alle Lamellen sind flächig und deckungsgleich miteinander verbunden.between which electrodes are arranged. All slats are flat and congruent with each other.

Erfindungsgemäß übt die innere, aus ferroelektrischem Material bestehende Lamelle auf die äußeren, aus piezoelektrischemAccording to the invention, the inner, made of ferroelectric material lamination exerts on the outer, of piezoelectric

oder elektrostriktivem Material bestehenden Lamellen eine Druckspannung aus.or electrostrictive material lamellae from a compressive stress.

In Ausgestaltung der Erfindung ist die innere Lamelle erst nach Herstellung des Verbundes mit den äußeren polarisiertenIn an embodiment of the invention, the inner lamella is polarized only after production of the composite with the outer

piezoelektrischen oder elektrostriktiven Lamellen polarisiert.polarized piezoelectric or electrostrictive lamellae.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß alle Lamellen erst im Verbund polarisiert sind.A further embodiment of the invention provides that all fins are polarized only in the composite. Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die dazugehörige Zeichnung zeigt das erfindungsgemäße Biegeelement in einer Prinzipskizze.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. The accompanying drawing shows the bending element according to the invention in a schematic diagram.

Ein Biegerstreifen mit einer Länge I = 50mm und einer Breite b «= 5,5mm wird aus zwei äußeren Lamellen 2 mit einer Dicke vonA bender strip with a length I = 50mm and a width b «= 5.5mm is made of two outer slats 2 with a thickness of

jeweils 0,3mm aus einer polarisierten (Pfeile 6,7) piezoelektrischen Keramik (z.B. Ba- oder Sr-modifizierte PZT-Keramlk) mit einem Großslgnalquerdeformationsmodul d3) = 5 · 10"'°mm · V-1 und einer inneren Lamelle 1 aus unpolarisiertereach 0.3 mm of a polarized (arrows 6,7) piezoelectric ceramic (eg Ba or Sr-modified PZT ceramic) with a Großslgnalquerdeformationsmodul d 3) = 5 · 10 "'mm mm V -1 and an inner lamella. 1 from unpolarized

piezoelektrischer Keramik (z.B. PZT-Keramik) mit einer remanenten Kontraktion beim Polarisieren von ΔΙ/Ι = 1 · 10~3, zusammengeklebt. Die einzelnen Lamellen sind mit den entsprechenden Elektroden 3 versehen.piezoelectric ceramic (eg PZT ceramic) with a remanent contraction when polarizing ΔΙ / Ι = 1 · 10 -3 , glued together. The individual fins are provided with the corresponding electrodes 3.

Nach dem Aushärten des Klebers wird die innere Lamelle 1 mit einer elektrischen Feldstärke von 2... 3 kV · mm"1 polarisiert. DieAfter the adhesive has hardened, the inner lamella 1 is polarized with an electric field strength of 2 ... 3 kV · mm -1 Pfeile 4 zeigen die Richtung der Polarisation an. Dies bewirkt eine Stauchung (Pfeile 5) des gesamten Biegers um ca. 20pm undArrows 4 indicate the direction of polarization. This causes a compression (arrows 5) of the entire bender at about 20pm and

damit die erfindungsgemäße Druckvorspannung der äußeren Lamellen.so that the pressure bias of the invention outer lamellae.

Eine zweite Variante geht von derselben Gestaltung des Biegeelementes, wie oben beschrieben, aus, mit dem Unterschied, daßA second variant is based on the same design of the bending element, as described above, with the difference that

auch die äußeren Lamellen 2 unpolarisiert sind, bevor sie mit der inneren Lamelle 1 verklebt werden. Erst dann wird der gesamteAlso, the outer plates 2 are unpolarized before they are glued to the inner plate 1. Only then will the whole

Verbund durch Anlegen der Polungsspannung UB an die Außenelektroden der äußeren Lamellen 2 vollständig polarisiert. Da dasComposite by applying the poling voltage U B to the outer electrodes of the outer plates 2 completely polarized. Since that

piezoelektrische Material der äußeren Lamellen 2 einen wesentlich größeren Querdeformationsmodul (d31 = 5 · 10~'°m · V~1) und eine wesentlich kleinere remanente Kontraktion ΔΙ/Ι = 0,5 · 10~4 besitzt als das Material der inneren Lamelle 1 (d3, = 3· 10~l0m -ν',ΔΙ/Ι = 1 · 1O-3), treten bei Anlegen der Polarisationsspannung nur geringe Ausdehnungsunterschiede der verschiedenen Lamellen auf. Wird die Polarisationsspannung abgeschaltet, werden die äußeren Lamellen 2 infolge der viel größeren remanenten Kontraktion der inneren Lamelle 1 auf Druck vorgespannt.piezoelectric material of the outer plate 2 has a substantially larger cross deformation modulus (d 31 = 5 x 10 ~ '° m · V -1) and a much smaller residual contraction ΔΙ / Ι = 0.5 x 10 ~ 4 than the material of the inner fin 1 (d 3 , = 3 × 10 -10 m -ν ', ΔΙ / Ι = 1 × 10 -3 ), only slight differences in the expansion of the different lamellae occur when the polarization voltage is applied. If the polarization voltage is switched off, the outer plates 2 are biased due to the much larger remanent contraction of the inner plate 1 to pressure.

Der Nachteil einer geringeren Druckvorspannung als bei der zuerst beschriebenen Variante wird dadurch gemindert, daß dasThe disadvantage of a lower compressive bias than in the variant described first is reduced by the fact that the Polarisieren der äußeren Lamellen vor dem Verkleben, das eine große Bruchgefahr beinhaltet, entfallen kann.Polarizing the outer fins before bonding, which involves a high risk of breakage, can be omitted.

Claims (3)

1. Elektromechanisches Biegeelement, bestehend aus mindestens zwei äußeren Lamellen und mindestens einer inneren Lamelle, zwischen denen Elektroden angeordnet sind, wobei alle Lamellen flächig und deckungsgleich miteinander verbunden sind, gekennzeichnet dadurch, daß die innere, aus ferroelektrischem Material bestehende Lamelle (1) auf die äußeren, aus piezoelektrischem oder elektrostriktivem Material bestehenden Lamellen (2) sine Druckspannung ausübt.1. Electromechanical bending element consisting of at least two outer slats and at least one inner slat, between which electrodes are arranged, wherein all slats are connected flat and congruent with each other, characterized in that the inner, consisting of ferroelectric material slat (1) on the outer, consisting of piezoelectric or electrostrictive material slats (2) sine compressive stress exerts. 2. Elektromechanisches Biegelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die innere Lamelle (1) nach Herstellung des Verbundes mit den äußeren polarisierten piezoelektrischen oder elektrostriktiven Lamellen (2) polarisiert ist.2. Electromechanical bending element according to claim 1, characterized in that the inner plate (1) after preparation of the composite with the outer polarized piezoelectric or electrostrictive plates (2) is polarized. 3. Elektromechanisches Biegeelement nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß alle Lamellen (1,2) erst im Verbund polarisiert sind.3. Electromechanical bending element according to claim 1, characterized in that all lamellae (1,2) are only polarized in the composite.
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