DE10013149A1 - Piezoelektrischer Wandler mit verbesserten mechanischen Eigenschaften - Google Patents

Abstract

Ein keramischer piezoelektrischer Wandler (1) ist mit einem Zusammendrückmechanismus versehen. Der Zusammendrückmechanismus besteht aus beispielsweise einer Schraube (10) und einer Mutter (11), die auf den Wandlerkörper in dessen Längsrichtung eine gegebene Druckspannung aufbringen, um während des Betriebs eine sich aus Schwingungen des Wandlerkörpers ergebende Zugspannung zu absorbieren, was es gestattet, eine von dem Wandler ausgegebene Energie zu erhöhen. In einer abgewandelten Form ist an einem Ende des Wandlerkörpers ein Gewichtsblock (15) befestigt, um den Bereich der ausgegebenen Energie zu erhöhen.

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen kerami­ schen piezoelektrischen Wandler und insbesondere auf einen keramischen piezoelektrischen Wandler, dessen Abgleichimpedanz gering ist und dessen mechanische Eigenschaften verbessert sind, sodass eine höhere Spannung ausgegeben werden kann.

In der Japanischen Patenterstveröffentlichung Nr. 11-8420 ist ein herkömmlicher keramischer piezoelektrischer Wandler offenbart, der einen Spannungseingangs- und -ausgangsabschnitt aufweist. Der Spannungseingangs­ abschnitt schwingt in Ansprechen auf die Anlegung einer Spannung in einer Axialrichtung (d. h. einer Längs­ richtung) des Wandlers, wodurch in dem gesamten Wandler eine Resonanz herbeigeführt wird. Der Spannungsausgangs­ abschnitt dient zur Ausgabe der Spannung und des Stroms, die durch die Resonanz erzeugt werden.

Der oben genannte piezoelektrische Wandler weist jedoch insofern einen Nachteil auf, als dass keine ausreichende Spannung erzeugt wird. Dies liegt an den folgenden Gründen.

Die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom des kerami­ schen piezoelektrischen Wandlers hängen von der Geometrie des Spannungsausgabeabschnitts ab. Genauer gesagt erfordert die Erzeugung einer höheren Spannung, dass die Länge von jedem keramischen Piezoelement des Spannungs­ ausgabeabschnitts erhöht wird. Im Gegensatz dazu erfordert eine Senkung der Abgleichimpedanz, dass jedes keramische Piezoelement des Spannungsausgangsabschnitts verkürzt wird. Es ist daher schwierig, einen keramischen piezoelektrischen Wandler zu verwirklichen, der eine geringere Abgleichimpedanz hat, aber dennoch dazu imstande ist, eine höhere Spannung zu erzeugen.

Abgesehen davon erfordert die Erzeugung einer starken Spannung eine Vergrößerung des Wandlers.

Die Hauptaufgabe der Erfindung besteht darin, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden.

Es soll daher ein keramischer piezoelektrischer Wandler bereitgestellt werden, dessen Abgleichimpedanz gering ist und der dazu imstande ist, mehr elektrische Energie (z. B. eine höhere Spannung) zu erzeugen, ohne dass die Größe des Wandlers erhöht werden muss.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist ein kerami­ scher piezoelektrischer Wandler vorgesehen, mit (a) einem Eingangsabschnitt, der den piezoelektrischen Wandler in Ansprechen auf den Eingang einer gegebenen Energie dazu veranlasst, in einer Längsrichtung des piezoelektrischen Wandlers in Resonanz zu treten; (b) einem in einer Linie mit dem Eingangsabschnitt verbundenen Ausgangsabschnitt, der in Ansprechen auf eine Resonanz des piezoelektrischen Wandlers in einer gegebenen Form Energie ausgibt; und (c) einem Zusammendrückmechanismus, der auf den Eingangs- und Ausgangsabschnitt in deren Längsrichtung eine Druck­ spannung aufbringt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung umfasst der Zusammendrückmechanismus eine Schraube und eine Mutter. Die Schraube ist von einem äußeren Ende entweder des Eingangs- oder des Ausgangsabschnitts in ein durch die Längen des Eingangs- und Ausgangsabschnitts verlaufendes Loch gesteckt. Die Mutter ist zur Befesti­ gung der Schraube an einem äußeren Ende des entsprechend anderen Abschnitts angebracht, um den Eingangs- und Ausgangsabschnitt in gegebenem Maße einer Druckspannung zu unterziehen.

Um den Bereich der ausgegebenen Energie zu erhöhen, kann an einem Ende entweder des Eingangs- oder Ausgangs­ abschnitts ein Gewichtsblock angebracht sein.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist ein keramischer piezoelektrischer Wandler vorgesehen, mit (a) einem Eingangsabschnitt, der den piezoelektrischen Wandler in Ansprechen auf den Eingang einer gegebenen Energie dazu veranlasst, in einer Längsrichtung des piezoelektrischen Wandlers in Resonanz zu treten; (b) einem in einer Linie mit dem Eingangsabschnitt verbunde­ nen Ausgangsabschnitt, der in Ansprechen auf eine Resonanz des piezoelektrischen Wandlers in einer gege­ benen Form Energie ausgibt; und (c) einem Gewichtsblock, der an einem Ende des Eingangs- und/oder Ausgangs­ abschnitts befestigt ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung kann zusätzlich ein Zusammendrückmechanismus vorgesehen sein, der auf den Eingangs- und Ausgangsabschnitt in deren Längsrichtung eine Druckspannung aufbringt, um während des Betriebs eine sich aus der Resonanz des Wandlers ergebende Zugspannung zu absorbieren, damit die ausge­ gebene Energie erhöht wird.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispielen beschrieben, die lediglich der Erläute­ rung und dem Verständnis dienen, ohne dass die Erfindung auf diese spezifischen Ausführungsbeispiele eingeschränkt wäre. Es zeigen:

Fig. 1 eine Perspektivansicht eines keramischen piezo­ elektrischen Wandlers gemäß einem ersten Ausführungs­ beispiel der Erfindung;

Fig. 2 eine Perspektivansicht eines ersten, zweiten und dritten Keramikelements, die zur Ausbildung eines Spannungseingangsabschnitts des in Fig. 1 gezeigten Wandlers aufeinandergeschichtet werden;

Fig. 3 eine Perspektivansicht eines keramischen piezo­ elektrischen Wandlers gemäß einem zweiten Ausführungs­ beispiel der Erfindung;

Fig. 4 eine Perspektivansicht einer ersten Abwandlung eines piezoelektrischen Wandlers; und

Fig. 5 eine Perspektivansicht einer zweiten Abwandlung eines piezoelektrischen Wandlers.

In den Zeichnungen, in denen sich in den verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszeichen auf gleiche Teile beziehen, zeigt Fig. 1 einen piezoelektrischen Wandler 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Der piezoelektrische Wandler 1 besteht aus einem kerami­ schen Material und ist so gestaltet, dass er in Ansprechen auf den Eingang einer gegebenen Energie Energie in einer vorab gewählten Form ausgibt. Der piezoelektrische Wandler 1 besteht aus zwei Hauptteilen: einem Spannungseingangsabschnitt 2 und einem Spannungs­ ausgangsabschnitt 3. Der Spannungseingangsabschnitt 2 führt in Ansprechen auf die Anlegung einer Wechsel­ spannung in dem gesamten piezoelektrischen Wandler 1 eine Resonanz herbei. Der Spannungseingangsabschnitt 2 besteht aus einer Aufschichtung erster, zweiter und dritter quadratischer Keramikelemente 2a, 2b und 2c, von denen jedes 7 × 7 mm bei 1 mm Dicke misst. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, sind neben dem ersten Keramik­ element 2a die zweiten Keramikelemente 2b und die dritten Keramikelemente 2c derart abwechselnd aufeinander­ geschichtet, dass die Polarisationsrichtungen der aneinander angrenzenden zweiten und dritten Keramik­ elemente 2b und 2c zueinander entgegengesetzt sind.

Fig. 2 zeigt eine Perspektivansicht der ersten, zweiten und dritten Keramikelemente 2a, 2b und 2c.

Das erste Keramikelement 2a hat zwei Elektroden 21 und 22. Die Elektrode 21 ist über die Gesamtheit einer Oberfläche des ersten Keramikelements 2a ausgebildet. Die Elektrode 22 ist auf einer entgegengesetzten Oberfläche mit freiliegendem Rand- oder Kantenabschnitt ausgebildet.

Jedes der zweiten Keramikelemente 2b weist eine auf einer Oberfläche mit freiliegendem Kantenabschnitt ausgebildete Einzelelektrode 23 auf.

Jedes der dritten Keramikelemente 2c weist wie das zweite Keramikelement 2b eine auf einer Oberfläche mit frei­ liegendem Kantenabschnitt ausgebildete Einzelelektrode 24 auf.

Die ersten, zweiten und dritten Keramikelemente 2a, 2b und 2c werden so aneinander festgemacht, dass die nicht von den Elektroden bedeckten Kantenabschnitte von zwei aneinander angrenzenden ersten, zweiten und dritten Keramikelementen 2a, 2b und 2c in Längsrichtung des piezoelektrischen Wandlers 1 keine Linie miteinander bilden. Genauer gesagt sind die Elektrode 22 des ersten Keramikelements 2a und die Elektrode 23 eines der angrenzenden zweiten Keramikelemente 2b seitlich in entgegengesetzten Richtungen verschoben. Die Elektrode 23 und die Elektrode 24 von zwei aneinander angrenzenden zweiten und dritten Keramikelementen 2b und 2c sind ebenfalls seitlich in entgegengesetzten Richtungen verschoben. Bei Betrachtung von Fig. 2 erstrecken sich mit anderen Worten die Elektrode 22 des ersten Keramik­ elements 2a und die Elektrode 24 sämtlicher dritter Keramikelemente 2c entlang ihrer rechten Kanten nach oben, während sich die Elektroden 23 sämtlicher zweiter Keramikelemente 2b entlang ihrer linken Kanten nach oben erstrecken.

An Seitenflächen der auf diese Weise aufgeschichteten ersten, zweiten und dritten Keramikelemente 2a, 2b und 2c ist, wie in Fig. 1 gezeigt ist, eine aus einer Silber­ pastenschicht bestehende erste gemeinsame Elektrode 5 ausgebildet. Die erste gemeinsame Elektrode 5 verläuft derart in Längsrichtung des piezoelektrischen Wandlers 1, dass die Elektrodenschichten 22 und 24 des ersten Keramikelements 2a und der dritten Keramikelemente 2c elektrisch miteinander verbunden sind. Die erste gemein­ same Elektrode 5 ist an einem Ende mit einem Spannungs­ erzeuger V verbunden.

An entgegengesetzten Seitenflächen der ersten, zweiten und dritten Keramikelemente 2a, 2b und 2c ist wie die erste gemeinsame Elektrode 5 eine (nicht gezeigte) aus einer Silberpastenschicht bestehende zweite gemeinsame Elektrode ausgebildet, die die Elektrodenschicht 21 des ersten Keramikelements 2a und die Elektrodenschichten 23 der zweiten Keramikelemente 2b elektrisch miteinander verbindet. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist die zweite gemeinsame Elektrode an einem ihrer Enden geerdet.

Der Spannungsausgangsabschnitt 3 ist einstückig und in einer Linie mit dem Spannungseingangsabschnitt 2 verbun­ den und dient zur Ausgabe der sich aus der Resonanz des Spannungseingangsabschnitts 2 ergebenden Spannung oder Leistung. Die Länge des Spannungsausgangsabschnitts 3 verläuft in Aufschichtungsrichtung der Keramikelemente 2b und 2c des Spannungseingangsabschnitts 2. Der Spannungs­ ausgangsabschnitt 3 besteht aus einer Aufschichtung von zwei quadratischen Keramikelementen 3a und 3b, von denen jedes 7 × 7 mm bei 9 mm Dicke misst. Die Polarisations­ richtungen der Keramikelemente 3a und 3b sind zueinander entgegengesetzt orientiert.

Zwischen gegenüberliegenden Endflächen der Keramik­ elemente 3a und 3b ist eine (nicht gezeigte) Elektrode angeordnet. Über die Gesamtheit einer Endfläche des dem Keramikelement 3a gegenüberliegenden Keramikelements 3b ist eine Elektrode 31 ausgebildet. Darüber hinaus ist über Seitenflächen der Keramikelemente 3a und 3b in elektrischer Verbindung mit der zwischen den gegenüber­ liegenden Endflächen der Keramikelemente 3a und 3b angeordneten Elektrode eine ausgangsseitige Elektrode 6 angebracht. Die ausgangsseitige Elektrode 6 ist über eine Metall-Halogenlampe 7 geerdet. Die Zündung der Metall- Halogenlampe 7 erfordert zu Anfang eine Anlegung von 23 kV. Nach Zündung hat die Metall-Halogenlampe 7 eine Impedanz von 200 Ω, nimmt 85 V_eff auf und gibt 35 W ab.

Der piezoelektrische Wandler 1 dieses Ausführungs­ beispiels weist das strukturelle Merkmal auf, dass die Aufschichtung der Keramikelemente 2a bis 2c und der Keramikelemente 3a und 3b in der Längsrichtung des piezoelektrischen Wandlers 1 durch eine Schraube 10 (z. B. eine Sechskantschraube) und eine Mutter 11 zusammen­ gedrückt wird. Genauer gesagt unterliegt der piezo­ elektrische Wandler 1 in Aufschichtungsrichtung der Keramikelemente 2a, 2b, 2c, 3a und 3b stets einem Kompressionsdruck von ungefähr 50 MPa.

Nachstehend wird nun ein Fertigungsverfahren für den piezoelektrischen Wandler 1 beschrieben.

Zunächst wird jedes der Keramikelemente 2a, 2b, 2c, 3a und 3b hergestellt. Genauer gesagt wird eine PZT- Komponenten enthaltende Keramikschlämme vorbereitet und für jedes der Keramikelemente 2a, 2b, 2c, 3a und 3b in ein quadratisches Plattenbauteil geformt. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wird in die Mitte jedes quadratischen Plattenbauteils ein Loch 12 gebohrt, um die Schraube 10 einstecken zu können.

Auf vorab gewählten Oberflächen der auf diese Weise ausgebildeten Plattenbauteile werden mit Silberpaste die Elektroden 21, 22, 23, 24 und 31 und die (nicht gezeigte) Elektrode zwischen den Keramikelementen 3a und 3b aufge­ druckt. Anschließend werden die Plattenbauteile aufein­ andergeschichtet und dann bei 950°C gebrannt.

Als nächstes werden auf entgegengesetzten Seitenflächen der auf diese Weise ausgebildeten Aufschichtung mit einer Silberpaste die erste gemeinsame Elektrode 5 und die (nicht gezeigte) zweite gemeinsame Elektrode aufgedruckt, um die auf den Keramikelementen 2a, 2b und 2c ausge­ bildeten Elektroden 21 bis 24 zu verbinden.

Die oben genannten Elektroden können in Hinblick auf die Brenntemperatur des Keramikkörpers (d. h. der Aufschich­ tung der Keramikelemente) und dessen Reaktivität gegen­ über den Elektroden wahlweise auch mit einer Paste aus etwa Pt, Ag/Pd oder Cu ausgebildet werden.

An die erste und zweite gemeinsame Elektrode werden Spannungen entgegengesetzter Polaritäten angelegt, um die Keramikelemente 2b und 2c so zu polarisieren, dass sie in entgegengesetzten Richtungen orientierte Polaritäten haben.

Die Eingangs- und Ausgangsabschnitte 2 und 3 können aus einem beliebigen piezoelektrischen Keramikmaterial wie etwa einkristallinem oder polykristallinem PZT oder BaTiO₃ oder einer Kombination verschiedener piezoelektri­ scher Keramikmaterialien bestehen.

Schließlich wird die Schraube 10 von Keramikelement 2a aus durch die Löcher 12 sämtlicher Keramikelemente 2a, 2b, 2c, 3a und 3b gesteckt. Die Mutter 11 wird an der auf der Endfläche des Keramikelements 3d ausgebildeten Elektrodenschicht 31 festgezogen, um den piezoelektri­ schen Wandler 1 in dessen Längsrichtung nach innen zusammenzudrücken.

Es wird nun die Arbeitsweise des piezoelektrischen Wandlers 1 beschrieben.

Die Keramikelemente des Eingangs- und Ausgangsabschnitts 2 und 3 können gewöhnlich einer Druckspannung wider­ stehen, werden jedoch durch eine Zugspannung leicht in Mitleidenschaft gezogen. Es ist daher wichtig, die Keramikelemente während normaler Betriebsbedingungen keiner großen Zugspannung zu unterziehen. Der piezo­ elektrische Wandler 1 dieses Ausführungsbeispiels unter­ liegt, wie vorstehend beschrieben ist, während der ganzen Zeit einer Druckspannung, die dazu dient, die Zugspannung zu absorbieren, die sich aus der durch Anregung des Eingangsabschnitts 2 erzeugten Resonanz des piezoelektri­ schen Wandlers 1 ergibt. Dies gestattet einen breiteren Schwingungsbereich, in dem der piezoelektrische Wandler durch Anregung des Eingangsabschnitts 2 zum Schwingen gebracht werden kann, was eine Erhöhung der Ausgangs­ spannung erlaubt. Die Verwendung der Schraube 10 und der Mutter 11 gestattet es außerdem, auf den piezoelektri­ schen Wandler 1, ohne dessen Größe zu erhöhen, stets einen Kompressionsdruck aufzubringen.

Fig. 3 zeigt einen piezoelektrischen Wandler gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, der sich von dem in Fig. 1 gezeigten Wandler nur dahingehend unterscheidet, dass an jeweiligen Enden des Spannungseingangsabschnitts 2 und des Spannungsausgangsabschnitts 3 von der Schraube 10 und der Mutter 11 Gewichte 15 gehalten werden. Die Anordnung ist ansonsten identisch, weswegen eine ausführliche Beschreibung weggelassen ist.

Die Gewichte 15 bestehen jeweils aus einem kubischen Metall- oder Keramikblock. Die Befestigung der Gewichte 15 an den Enden des Eingangs- und Ausgangsabschnitts 2 und 3 führt zu einer Verstärkung der Schwingungsamplitude des piezoelektrischen Wandlers 1, was es erlaubt, die Ausgangsspannung des piezoelektrischen Wandlers 1 weiter zu erhöhen.

Bei den oben genannten Ausführungsbeispielen besteht der Spannungseingangs- und -ausgangsabschnitt 2 und 3 aus einem in einem Stück gebrannten Bauteil, doch können diese wahlweise auch, wie in Fig. 4 gezeigt ist, aus getrennten Aufschichtungen bestehen, die gebrannt und dann durch die Schraube 10 und die Mutter 11 zusammen­ gefügt werden.

Der Spannungseingangs- und -ausgangsabschnitt 2 und 3 können, wie in Fig. 5 gezeigt ist, aus jeweils zwei getrennten Aufschichtungen und zwei getrennten Blöcken bestehen, die gebrannt und dann durch die Schraube 10 und die Mutter 11 zusammengefügt werden.

Der erfindungsgemäße piezoelektrische Wandler 1 wurde in Hinblick auf die Metall-Halogenlampe 7 erörtert, doch er kann wahlweise auch zur Erleuchtung einer beliebig anderen Entladungslampe, wie etwa einer Hochdruck- Natriumdampflampe oder einer Xenonlampe, verwendet werden.

Die Schraube 10 und die Mutter 11 lassen sich gegen ein beliebig anderes Befestigungsmittel wie etwa eine Niete oder einen Metallblock mit einer Schraube austauschen, das dazu imstande ist, auf den piezoelektrischen Wandler 1 eine gegebene Druckspannung aufzubringen.

Die auf den piezoelektrischen Wandler 1 aufgebrachten Elektroden werden vor dem Brennen des piezoelektrischen Wandlers 1 aus einer Silberpaste hergestellt, doch können diese wahlweise auch aus einem anderen Material wie etwa aus einem Gemisch aus Silber und Palladium oder einem Gemisch aus Silber und Platin bestehen.

Die Erfindung stellt einen keramischen piezoelektrischen Wandler mit einem Zusammendrückmechanismus bereit. Der Zusammenendrückmechanismus besteht aus beispielsweise einer Schraube und einer Mutter, die auf den Wandler­ körper in dessen Längsrichtung eine gegebene Druck­ spannung aufbringen, um während des Betriebs eine sich aus Schwingungen des Wandlerkörpers ergebende Zugspannung zu absorbieren, was es gestattet, eine von dem Wandler ausgegebene Energie zu erhöhen. In einer abgewandelten Form ist an einem Ende des Wandlerkörpers ein Gewichts­ block befestigt, um den Bereich der ausgegebenen Energie zu erhöhen.

Claims (5)

1. Keramischer piezoelektrischer Wandler (1), mit
einem Eingangsabschnitt (2), der den piezoelektri­ schen Wandler in Ansprechen auf den Eingang einer gegebe­ nen Energie dazu veranlasst, in einer Längsrichtung des piezoelektrischen Wandlers in Resonanz zu treten;
einem in einer Linie mit dem Eingangsabschnitt (2) verbundenen Ausgangsabschnitt (3), der in Ansprechen auf eine Resonanz des piezoelektrischen Wandlers in einer gegebenen Form Energie ausgibt; und
einem Zusammendrückmechanismus (10, 11), der auf den Eingangs- und Ausgangsabschnitt (2, 3) in deren Längs­ richtung eine Druckspannung aufbringt.

2. Keramischer piezoelektrischer Wandler (1) nach Anspruch 1, wobei der Zusammendrückmechanismus eine Schraube (10) und eine Mutter (11) umfasst, wobei die Schraube (10) von einem äußeren Ende entweder des Eingangs- oder des Ausgangsabschnitts (2, 3) in ein durch Längen des Eingangs- und Ausgangsabschnitts verlaufendes Loch (12) gesteckt ist und die Mutter (11) zur Befestigung der Schraube (10) an einem äußeren Ende des entsprechend anderen Abschnitts (3, 2) angebracht ist, um den Eingangs- und Ausgangsabschnitt in gegebenem Maße einer Druckspannung zu unterziehen.

3. Keramischer piezoelektrischer Wandler (1) nach Anspruch 1, mit einem an einem Ende entweder des Eingangs- oder Ausgangsabschnitts (2, 3) angebrachten Gewichtsblock (15).

4. Keramischer piezoelektrischer Wandler (1), mit
einem Eingangsabschnitt (2), der den piezoelektri­ schen Wandler in Ansprechen auf den Eingang einer gegebe­ nen Energie dazu veranlasst, in einer Längsrichtung des piezoelektrischen Wandlers in Resonanz zu treten;
einem in einer Linie mit dem Eingangsabschnitt (2) Verbundenen Ausgangsabschnitt (3), der in Ansprechen auf eine Resonanz des piezoelektrischen Wandlers in einer gegebenen Form Energie ausgibt; und
einem Gewichtsblock (15), der an einem Ende des Eingangs- und/oder Ausgangsabschnitts angebracht ist.

5. Keramischer piezoelektrischer Wandler (1) nach Anspruch 4, mit einem Zusammendrückmechanismus (10, 11), der auf den Eingangs- und Ausgangsabschnitt (2, 3) in deren Längsrichtung eine Druckspannung aufbringt.