DE102008024856A1 - Piezoelectric transducer for use in piezoelectric transformer, has ceramic body exhibiting piezoelectric effect in polarization direction, where body has different thicknesses in regions in polarization direction - Google Patents

Piezoelectric transducer for use in piezoelectric transformer, has ceramic body exhibiting piezoelectric effect in polarization direction, where body has different thicknesses in regions in polarization direction

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DE102008024856A1
DE102008024856A1 DE200810024856 DE102008024856A DE102008024856A1 DE 102008024856 A1 DE102008024856 A1 DE 102008024856A1 DE 200810024856 DE200810024856 DE 200810024856 DE 102008024856 A DE102008024856 A DE 102008024856A DE 102008024856 A1 DE102008024856 A1 DE 102008024856A1
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piezoelectric
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polarization direction
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Abstract

The transducer has a plate shaped ceramic body (1) exhibiting a piezoelectric effect in a polarization direction (5). Electrodes (2, 3) are arranged on a base surface and a cover surface of the ceramic body. The ceramic body has different thicknesses (d1, d2) in regions in the polarization direction. The body is connected with a substrate (10) by one of the electrodes. The substrate is formed as a circular ring segment or a hollow ball section. The polarization direction runs perpendicular to a surface of the substrate. The body consists of high quality ceramic material. An independent claim is also included for a piezoelectric transformer.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Wandler mit einem plättchenförmigen Keramikkörper und mit Aufgrund- und Deckfläche des Keramikkörpers angeordneten Elektroden, wobei der Keramikkörper in eine Polarisationsrichtung einen piezoelektrischen Effekt aufweist. The present invention relates to a piezoelectric transducer having a plate-like ceramic body with Aufgrund- and top surface of the ceramic body arranged electrodes, wherein the ceramic body comprises a piezoelectric effect in a polarization direction. Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen piezoelektrischen Transformator. The invention further relates to a piezoelectric transformer.
  • Piezoelektrische Wandler (Piezoelemente) bestehen häufig aus Keramiken (z. B. Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder Blei-Magnesium-Niobat (PMN)). Piezoelectric transducers (piezoelectric elements) are often composed of ceramics (eg. As lead zirconate titanate (PZT) or lead magnesium niobate (PMN)). Diese keramischen Wandler haben einen höheren Wirkungsgrad als Piezoelektrische Wandler mit Piezokristallen oder Kunststoffen. These ceramic transducers have a higher efficiency than Piezoelectric transducers with piezoelectric crystals or plastics. Bei polykristallinen keramischen Piezoelementen sind die internen Dipole nach dem Sinterprozess ungeordnet, weshalb sich zunächst keine piezoelektrischen Eigenschaften zeigen. In polycrystalline ceramic piezoelectric elements, the internal dipoles are disordered after the sintering process, which is why at first to show piezoelectric properties. Eine messbare Piezoelektrische Eigenschaft lässt sich erst durch ein äußeres elektrisches Gleichfeld aufprägen, während das Material bis knapp unter die Curie-Temperatur erwärmt und wieder abgekühlt wird. A measurable piezoelectric property can impart while the material is heated to just below the Curie temperature and is cooled again only by an external DC electric field. Die eingeprägte Orientierung bleibt nach der Wärmebehandlung erhalten und wird als Polarisationsrichtung bezeichnet. The embossed orientation is retained after the heat treatment and will be referred to as the polarization direction.
  • Keramische Piezoelektrische Wandler bestehen in der Regel aus einem plättchenförmigen Keramikkörper, dessen Polarisationsrichtung in Richtung der Dicke des Keramikplättchens, dh im Wesentlichen senkrecht oder unter kleinem Winkel zu Grund- und Deckfläche des Keramikplättchens, verläuft. Ceramic Piezoelectric transducers are typically made of a plate-shaped ceramic body, the direction of polarization in the thickness direction of the ceramic plate, that is substantially perpendicular or at a small angle to the base and top face of the ceramic plate, extends. Auf den Begrenzungsflächen des Keramikkörpers, die die Grund- bzw. Deckfläche des plättchenförmigen Keramikkörpers bilden und die in der Regel in ihrer Fläche die größten Begrenzungsflächen des Keramikkörpers darstellen, sind Elektroden angeordnet. On the boundary surfaces of the ceramic body, forming the base or top surface of the plate-shaped ceramic body and represent usually in its surface, the largest boundary surfaces of the ceramic body, electrodes are arranged. Die Elektroden dienen dazu, eine elektrische Spannung aufzubringen oder abzunehmen. The electrodes serve to apply an electrical voltage or removed.
  • Derartige Wandler sind bisher als zylinderförmige oder quaderförmige Plättchen ausgeführt, welche eine konstante Dicke aufweisen. Such transducers are previously executed as cylindrical or cuboid-shaped plate having a constant thickness. Die Dicke der Plättchen und die Materialeigenschaften der Keramik bestimmen die Resonanzfrequenz des Wandlers. The thickness of the wafer and the material properties of the ceramic determine the resonant frequency of the transducer. Aufgrund der hohen Güte der Keramik können solche Wandler nur für schmalbandige oder monofrequente Anwendungen eingesetzt werden. Due to the high quality of the ceramics such converters can be used for narrow-band or single-frequency applications.
  • Es ist wünschenswert, breitbandige Erregungen zu realisieren, die mittels lediglich eines einzigen Wandlers erzeugt werden sollen. It is desirable to implement wideband excitations are to be produced by means of only a single transducer. Dies ist bei den herkömmlichen Wandlern insbesondere bei der Erzeugung von mechanischen Schwingungen durch elektrische Wechselspannung schwierig. This is difficult in the conventional converters, in particular in the generation of mechanical vibrations by electrical alternating voltage.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen piezoelektrischen Wandler zu schaffen, der auch bei Verwendung von Keramiken hoher Güte eine breitbandige Wandlung ermöglicht. The object of the present invention is thus to provide a piezoelectric transducer that allows a wide-band conversion, even when using ceramics with high quality. Entsprechend besteht die Aufgabe ferner darin, einen entsprechenden piezoelektrischen Transformator zu schaffen. Accordingly, the object is further to provide a corresponding piezoelectric transformer.
  • Die obige Aufgabe wird gelöst durch einen piezoelektrischen Wandler, dessen Keramikkörper in einem ersten Bereich und in mindestens einem zweiten Bereich in Polarisationsrichtung unterschiedliche Abmessungen aufweist. The above object is achieved by a piezoelectric transducer, the ceramic body in the direction of polarization has different dimensions in a first region and at least a second region.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung entsteht ein piezoelektrischer Wandler, bei dem Grund- und Deckfläche nicht, wie sonst üblich, parallel verlaufen. The inventive solution is a piezoelectric transducer in which base and top surface does not come, as usual, are parallel. Bei unterschiedlichen Abmessungen in einem ersten Bereich und in mindestens einem zweiten Bereich in Polarisationsrichtung, dh bei unterschiedlichen Dicken des Keramikkörpers in dem ersten und in dem mindestens einen zweiten Bereich ergibt sich, dass der Wandler in jedem dieser Bereiche, die unterschiedliche Dicken aufweisen, eine andere Resonanzfrequenz hat. In different dimensions in a first region and at least a second area in the polarization direction, ie at different thicknesses of the ceramic body in the first and in the at least one second range results in that the transducer in each of these areas, which have different thicknesses, a different has resonance frequency. Durch eine elektrische Parallelschaltung dieser Bereiche kann in der Summe ein breitbandiger Wandler realisiert werden. By a parallel connection of these areas in the sum of a broadband transducer can be realized. Der piezoelektrische Wandler kann entsprechend – je nach Verwendung – zur Erzeugung breitbandiger mechanischer Schwingungen (beim inversen piezoelektrischen Effekt) bzw. zur Erzeugung breitbandiger elektrischer Signale (beim piezoelektrischen Effekt) eingesetzt werden. The piezoelectric transducer may accordingly - depending on the use - for generating broadband mechanical vibrations (in the inverse piezoelectric effect) or for generating broadband electrical signals are used (the piezoelectric effect). Da aufgrund der unterschiedlichen Abmessungen des Keramikkörpers in Polarisationsrichtung die Resonanzfrequenz der mechanischen Schwingung bzw. des elektrischen Wechselfelds ortsabhängig ist, lässt sich diese gezielt in einem bestimmten Bereich des Wandlers anregen. Since due to the different dimensions of the ceramic body in the polarization direction, the resonance frequency of the mechanical oscillation or of the alternating electric field is location-dependent, this can be targeted to stimulate in a certain range of the transducer.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Keramikkörper keilförmig oder stufenförmig ausgebildet. In a preferred embodiment, the ceramic body is wedge-shaped or step-shaped. Bei einer Keilform, bei der Grund- und Deckfläche des Keramikkörpers schräg, dh unter einem Winkel, zueinander verlaufen, weist jeder Bereich eines derartigen Keramikkörpers eine unterschiedliche Dicke auf. In a wedge shape in the base and top surface of the ceramic body obliquely, that is, run at an angle to each other, each area of ​​such a ceramic body to a different thickness. Bei einer stufenförmigen Ausbildung des Keramikkörpers verlaufen Grund- und Deckfläche derart, dass entweder lediglich die Grundfläche oder lediglich die Deckfläche stufenförmig ausgebildet ist oder beide Flächen eine Stufenform aufweisen. In a step-like formation of the ceramic body extending base and top surface such that either only the bottom surface or only the top surface is formed stepwise or both surfaces have a stepped shape. Auf jeder Stufe hat der piezoelektrische Wandler dann in Polarisationsrichtung eine unterschiedliche Abmessung. At each stage, the piezoelectric transducer has then in a polarization direction different dimension.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Keramikkörper über mindestens eine der Elektroden mit einem Substrat verbunden. In a preferred embodiment, the ceramic body is connected via at least one of the electrodes with a substrate. Der Keramikkörper mit Elektroden ist daher auf dem Substrat angeordnet. The ceramic body with electrodes is therefore disposed on the substrate. Hierdurch erhält der piezoelektrische Wandler eine höhere mechanische Stabilität. Thereby, the piezoelectric transducer receives a higher mechanical stability. Er kann eine mechanische Schwingung auf das Substrat oder ein umgebendes Medium (Schallleiter) übertragen. It can transmit a mechanical vibration to the substrate or a surrounding medium (sound conductor).
  • Es ist ebenfalls bevorzugt, dass das Substrat als Kreisringsegment oder Hohlkugelabschnitt ausgebildet ist. It is also preferred that the substrate is formed as a circular ring segment or hollow spherical section. Hierdurch lässt sich sehr einfach realisieren, dass mindestens zwei Bereiche des auf dem Substrat angeordneten Keramikkörpers in Polarisationsrichtung unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Thereby can be realized very simply, that at least two regions of the substrate disposed on the ceramic body have different dimensions in the polarization direction.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist auf der Grund- und/oder Deckfläche des Keramikkörpers eine Vielzahl von Elektroden angeordnet. In a preferred embodiment, a plurality of electrodes disposed on the base and / or cover surface of the ceramic body. Dies hat den Vorteil, dass verschiedene Bereiche der Metallisierung nicht zwingend elektrisch parallel geschaltet sind. This has the advantage that different portions of the metallization are not necessarily electrically connected in parallel. Da jedem Bereich eine Frequenz zugeordnet ist, können durch die Vielzahl von Elektroden verschiedenen Frequenzen verschiedenen elektrischen Schaltungen zugeordnet werden. Since each region is assigned a frequency, different electrical circuits can be assigned by the plurality of electrodes of different frequencies. Dies kann bei der Ansteuerung von breitbandigen Keramiken von Vorteil sein, da verschiedene Signalquellen für die Erzeugung verschiedener Frequenzbereiche genutzt werden können, ohne dass die Ausgänge der Quellen elektrisch gemischt werden müssen. This can be in control of broadband ceramics advantageous because various signal sources for generating different frequencies can be used without the outputs of the sources must be electrically mixed. Bei der inversen Nutzung (als Empfänger) können verschiedene Frequenzen oder Frequenzbereiche einer anderen Schaltung oder Teilschaltung zugeordnet werden. In the inverse use (as a receiver) different frequencies or frequency ranges of another circuit or sub-circuit can be assigned. So ist es z. Thus it is. B. möglich, die verschiedenen Frequenzanteile eines ankommenden Signals auf verschiedene Leitungen zu verteilen. As possible to distribute the different frequency components of an incoming signal on different lines. Je nach Anzahl der Elektroden kann das Signal auf diese Weise in sehr viele Einzelfrequenzen aufgeteilt werden und damit eine Spektraldarstellung des Signals erzeugt werden. Depending on the number of electrodes, the signal can be divided in this way in a very large number of individual frequencies, and thus a spectral representation of the signal are generated. Ein Signal kann so auf ausgewählte Frequenzen hin untersucht werden, ohne dass aufwendige Berechnungen erforderlich sind. A signal can thus be studied to selected frequencies, without complicated calculations are required. Die Aufteilung in mehrere Bereiche hat auch den Vorteil, dass der Wandler zugleich als Sender und Empfänger genutzt werden kann, ohne dass eine galvanische Verbindung zwischen dem Sender und dem Empfänger besteht. The division into a plurality of regions has also the advantage that the transducer can be simultaneously used as a transmitter and receiver, without any galvanic connection between the transmitter and the receiver. Hierbei ist insbesondere bevorzugt, wenn mindes tens zwei der Vielzahl von Elektroden, die auf der Grundfläche oder der Deckfläche des Keramikkörpers angeordnet sind, miteinander verbunden sind. Here is particularly preferred if Minim two of the plurality of electrodes are arranged on the base surface or the cover surface of the ceramic body, are connected together least. So können verschiedene Frequenzen oder Frequenzbereiche zusammengefasst werden, je nachdem, ob der Wandler seine Abmessung stufenförmig oder kontinuierlich ändert. Thus, different frequencies or frequency ranges can be combined, depending on whether the converter will change its dimension stepwise or continuously. Falls der Aufbau der Keramik es nicht ermöglicht, verschiedene Bereiche gleicher Frequenzen direkt auf der Keramik miteinander zu verbinden, so können Bereiche gleicher Frequenz an einer anderen Stelle miteinander verbunden werden, z. If the structure of the ceramic does not allow to connect different areas of the same frequencies on the ceramic with each other, so areas can be connected to each other the same frequency in another place, for. B. von der angeschlossenen Elektronik. B. of the connected electronics.
  • Vorzugsweise weist zumindest eine der Grund- oder Deckfläche des Keramikkörpers eine symmetrische (Raum-)Form, vorzugsweise eine Spiegelsymmetrie und/oder eine Punktsymmetrie und/oder eine Rotationssymmetrie auf. Preferably, at least one of the bottom or top surface of the ceramic body a symmetrical (space) shape, preferably a mirror symmetry and / or a point of symmetry and / or a rotational symmetry. Solche Formen sind z. Such forms are eg. B. ebene Zylinderschnitte, Kegel, Paraboloide, Ellipsoide, prismatische Formen und viele weitere Formen mit einfach oder zweifach gekrümmten Begrenzungsflächen. B. flat cylinder sections, cones, paraboloids, ellipsoids, prismatic shapes, and many other forms singly or doubly curved boundary surfaces. Vorteil dieser Formen ist, dass Bereiche gleicher Resonanzfrequenz oft direkt auf der Keramik miteinander verbunden werden können und dass verschiedene Frequenzbereiche gleicher Frequenzbreite unterschiedliche Flächenanteile der Keramik ausfüllen. The advantage of these forms that areas of the same resonant frequency can often be directly connected to each other on the ceramic and that different frequency ranges of the same frequency width fill different surface portions of the ceramic. So kann ein kegelförmiger Wandler im Vergleich zum parabolischen Wandler bei gleicher Bandbreite die niedrigen Frequenzen mit größerer Fläche abstrahlen (wenn beide Formen konvex sind). Thus, a conical transducer compared to the parabolic transducer may radiate low frequencies with larger area for the same bandwidth (when both forms are convex).
  • Ein besonders hoher Wirkungsgrad des piezoelektrischen Wandlers wird dadurch erreicht, dass der Keramikkörper aus einem Keramikmaterial hoher Güte besteht. A particularly high efficiency of the piezoelectric transducer is achieved in that the ceramic body consists of a ceramic material of high quality. Bevorzugt sollte die Güte des Keramikmaterials mindestens 40 betragen. Preferably, the quality of the ceramic material should be at least 40th
  • Die obige Aufgabe wird ferner gelöst durch einen piezoelektrischen Transformator mit einem ersten und mindestens einem zweiten oben beschriebenen piezoelektrischen Wandler. The above object is further achieved by a piezoelectric transformer having a first and at least a second above-described piezoelectric transducer. Auch ein solcher piezoelektrischer Transformator ist geeignet für die Transformation elektrischer Signale, die breitbandig sind. Also, such a piezoelectric transformer is suitable for the transformation of electrical signals are broadband. Zudem können ortsabhängige elektrische Signale erzeugt werden, wobei die Position der Erregung durch die Frequenz der elektrischen Erregung gesteuert werden kann. In addition, location-dependent electrical signals may be generated, wherein the position of the excitation can be controlled by the frequency of the electrical excitation. Auf diese Weise kann mittels des breitbandigen Transformators ein Frequenzanalysator realisiert werden: An der Primärseite wird ein beliebiges Signal eingespeist und auf der Sekundärseite werden die einzelnen Frequenzanteile des Signals über separate Elektroden abgegriffen und ggf. weiterverarbeitet. In this way, a frequency analyzer can be realized by means of the wide-band transformer: an arbitrary signal is fed to the primary side and on the secondary side of the individual frequency components of the signal to be tapped off via separate electrodes and possibly further processed.
  • Um eine gute mechanische Kopplung beider Wandler zu erreichen, ist ein Aufbau vorteilhaft, bei dem der erfindungsgemäße piezoelektrische Transformator neben dem ersten piezoelektrischen Wandler genau einen zweiten piezoelektrischen Wandler aufweist, wobei der erste und der zweite piezoelektrische Wandler baugleich aufgebaut und spiegelverkehrt angeordnet sind. To obtain a good mechanical coupling of the two converters, a structure is advantageous in which the piezoelectric transformer according to the invention next to the first piezo-electric transducer has exactly a second piezoelectric transducer, wherein the first and the second piezoelectric transducer are identical constructed and arranged mirror-inverted. Hierbei stehen die Bereiche mit der gleichen Abmessung des jeweiligen Keramikkörpers in Polarisationsrichtung in mechanischem Kontakt miteinander, so dass die Stellen gleicher Resonanzfrequenz direkten mechanischen Kontakt miteinander haben. Here, the areas are having the same dimension of each ceramic body in direction of polarization in mechanical contact with each other so that the sites have the same resonance frequency direct mechanical contact with each other.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen der erste und der mindestens eine zweite piezoelektrische Wandler mindestens eine gemeinsame, auf gegenüberliegenden Begrenzungsflächen der jeweiligen Keramikkörper angeordnete Elektrode auf. In a preferred embodiment, the first and the at least one second piezoelectric transducer has at least one joint, arranged on opposite boundary surfaces of the respective ceramic body electrode. Hierdurch wird eine Materialeinsparung in Bezug auf das Elektrodenmaterial erreicht und die Herstellung des piezoelektrischen Transformators vereinfacht. In this way, a saving in material is achieved in relation to the electrode material, and simplifies the manufacture of the piezoelectric transformer.
  • Alternativ kann zwischen dem ersten und dem mindestens einen zweiten Wandler ein Substrat angeordnet sein. Alternatively it can be arranged between the first and the at least one second transducer a substrate. Hierdurch wird die mechanische Stabilität des Transformators erhöht. In this way, the mechanical stability of the transformer is increased.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Grenze zwischen zwei benachbarten Elektroden auf einem piezoelektrischen Wandler nicht geradlinig, also beispielsweise wellenförmig, und in Polarisationsrichtung überlappend ausgeführt sein. In another embodiment, the boundary between two adjacent electrodes on a piezoelectric transducer are not straight, that is, for example, wave-shaped, and be carried out overlapping in the polarization direction. Insbesondere bei Keramiken mit kontinuierlich veränderlicher Dicke können so die Frequenzbereiche gemischt werden. In particular, in ceramics with continuously varying thickness, the frequency ranges can be mixed way. Dies kann sowohl bei der Funktion als Sender als auch als Empfänger von Vorteil sein, da die Zuordnung einzelner Elektroden und zugehöriger Frequenzbereiche an bestimmte elektrische Schaltungen überlappend erfolgen kann. This can be both the function as a transmitter and as a receiver of advantage, since the assignment of individual electrodes and associated frequency ranges may be made to certain electrical circuits overlap.
  • Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Wandlers bzw. erfindungsgemäßer Transformatoren. Other objects, features, advantages and possible applications of the invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments of a transducer according to the invention or inventive transformers. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. All features described and / or illustrated features per se or in any combination form the subject of the present invention, irrespective of their summary in individual claims or their back-reference.
  • Es zeigen schematisch: Schematically:
  • 1 1 bis to 6 6 sechs verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer piezoelektrischer Wandler im Querschnitt, six different embodiments of the invention piezoelectric transducer in cross-section,
  • 7 7 einen Querschnitt des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers mit Teilen der Ansteuerungsschaltung, a cross-section of the first embodiment of a piezoelectric transducer according to the invention with parts of the driving circuit,
  • 8 8th eine weitere Darstellung des Querschnitts des ersten Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Wandlers mit einem Teil der Ansteuerungsschaltung, a further illustration of the cross section of the first embodiment of a piezoelectric transducer with a part of the drive circuit,
  • 9 9 und and 10 10 zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Transformators im Querschnitt sowie Two embodiments of a piezoelectric transformer according to the invention in cross-section and
  • 11 11 eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines piezoelektrischen Wandlers mit mehreren Elektroden, welche überlappende Begrenzungen besitzen. a plan view of another embodiment of a piezoelectric transducer having a plurality of electrodes which have overlapping boundaries.
  • 1 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers mit einem keilförmigen Keramikkörper shows a first embodiment of a piezoelectric transducer according to the invention with a wedge-shaped ceramic body 1 1 , dessen Deckfläche mit einer ersten Elektrode Whose top surface with a first electrode 2 2 und dessen Grundfläche mit einer zweiten Elektrode and whose base is connected to a second electrode 3 3 versehen ist, welche als elektrischer Kontakt dienen. is provided, which serve as an electrical contact. Da die Elektroden Because the electrodes 2 2 , . 3 3 in der Regel aus einem Metall bestehen, werden diese auch als Metallisierung bezeichnet. are usually made of metal, they are also referred to as metallization. Zwischen den Elektroden Between the electrodes 2 2 , . 3 3 erzeugt eine anliegende Wechselspannung ein elektrisches Wechselfeld, das in dem Keramikkörper generates an AC voltage present an alternating electric field in the ceramic body 1 1 eine mechanische Dehnung hervorruft. a mechanical strain causes. Diese wird als mechanische Schwingung an das mit Elektrode This is as a mechanical vibration to the electrode with 3 3 verbundene Substrat bonded substrate 10 10 (z. B. ein Prüfkörper, Schallübertrager usw.) weitergegeben. (Z. B. a test piece, acoustic transducers, etc.) passed on.
  • Bei dem in In the in 1 1 dargestellten erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandler verlaufen die Begrenzungsflächen Grundfläche und Deckfläche des plättchenförmigen Keramikkörpers piezoelectric transducer according to the invention shown extending the boundary surfaces base surface and top surface of the plate-shaped ceramic body 1 1 nicht parallel zueinander. not parallel to one another. Die Polarisationsrichtung The polarization direction 5 5 des Keramikkörpers the ceramic body 1 1 verläuft annähernd senkrecht zur Oberfläche des Substrats extends approximately perpendicular to the surface of the substrate 10 10 (Unterlage) bzw. in Richtung der Dicke des Keramikkörpers. (Base) or in the direction of the thickness of the ceramic body. Die Polarisationsrichtung verläuft ferner senkrecht zur Grund fläche des Keramikkörpers The polarization direction further perpendicular to the ground surface of the ceramic body 1 1 . , Aufgrund der keilförmigen Gestaltung des Keramikkörpers Due to the wedge-shaped design of the ceramic body 1 1 mit einer schräg, in einem spitzen Winkel zur Grundfläche und eben verlaufenden Deckfläche weist der Keramikkörper entlang seiner Breite with a slanted, at an acute angle to the base surface and extending just cover surface, the ceramic body along its width 6 6 (Breite (Width 6 6 steht senkrecht auf Polarisationsrichtung is perpendicular to the polarization direction 5 5 ) in jedem seiner Bereiche eine unterschiedliche Dicke auf. ) In each of its areas of different thickness. Beispielsweise hat der Keramikkörper For example, the ceramic body 1 1 in einem ersten Bereich eine Dicke d1 und in einem zweiten Bereich eine Dicke d2, wobei d1 > d2 ist, so dass in diesen Bereichen unterschiedliche Resonanzfrequenzen ausgebildet werden. a thickness d1 and a second region has a thickness d2, with d1> d2 is so formed in these areas, different resonance frequencies in a first range.
  • In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Deckfläche des Keramikkörpers, auf der die Elektrode In a further, not shown embodiment, the top surface of the ceramic body on which the electrode 2 2 angeordnet ist, auch uneben ausgebildet sein. is arranged also be designed uneven.
  • Das in This in 2 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers weist einen Keramikkörper illustrated second embodiment of a piezoelectric transducer according to the invention comprises a ceramic body 1' 1' auf, bei dem die Deckfläche und entsprechend die erste Elektrode on, wherein the top surface and corresponding to the first electrode 2' 2 ' einen Ausschnitt aus einer Kugelfläche oder einer Zylindermantelfläche bildet. forms a section of a sphere or cylinder surface. Die Grundfläche ist als ebene Fläche ausgebildet. The base is formed as a flat surface. Auch hierdurch lassen sich Bereiche des Keramikkörpers This also makes it leave areas of the ceramic body 1' 1' ausbilden, die in Polarisationsrichtung train, in the direction of polarization 5 5 unterschiedliche Abmessungen aufweisen. have different dimensions.
  • Bei dem in In the in 3 3 dargestellten Ausführungsbeispiel hat das Substrat Embodiment shown, the substrate 10'' 10 '' die Form eines Segments eines Kreisrings oder einer Hohlkugel. the shape of a segment of a circular ring or a hollow sphere. Hierdurch erhält die auf diesem Substrat angeordnete zweite Elektrode Hereby is obtained which is arranged on said substrate second electrode 3'' 3 '' sowie die daran angrenzende Grundfläche des Keramikkörpers as well as the adjoining base of the ceramic body 1'' 1'' die Form eines Segments einer Zylindermantelfläche bzw. eines Teils einer Kugelfläche. the shape of a segment of a cylinder surface or a part of a spherical surface. Die Deckfläche des Keramikkörpers The top surface of the ceramic body 1'' 1'' ist als ebene Fläche ausgebildet. is formed as a flat surface. Hierdurch ist es ebenfalls möglich, verschiedene Bereiche des Keramikkörpers mit unterschiedlichen Abmessungen in Polarisationsrichtung In this way it is also possible to use different areas of the ceramic body with different dimensions in the direction of polarization 5 5 auszubilden. train.
  • Die in den In the 2 2 und and 3 3 dargestellten Ausführungsbeispiele weisen Begrenzungsflächen auf, die symmetrisch ausgebildet sind. Illustrated embodiments have boundary surfaces, which are formed symmetrically. Sowohl jeweils die Grund- als auch die Deckfläche zeigen zumindest eine Spiegelsymmetrie (im Fall des dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers lediglich für die Substratform eines Kreisrings). Both each the base and the top surface of at least show a mirror symmetry (in the case of the third embodiment of the piezoelectric transducer of the invention only for the substrate shape of a circular ring).
  • Das in This in 4 4 dargestellte Ausführungsbeispiel weist einen Keramikkörper Embodiment shown comprises a ceramic body 1 1 auf, welcher die gleiche Form wie der Keramikkörper on which the same shape as the ceramic body 1 1 des in of in 1 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels besitzt. illustrated first embodiment has. Auf der Deckfläche des Keramikkörpers On the top surface of the ceramic body 1 1 ist die Metallisierung jedoch nicht vollflächig ausgebildet, sondern weist Unterbrechungen auf, so dass eine Vielzahl von Elektroden the metallization is not formed over the entire surface, but rather has interruptions, so that a plurality of electrodes 2a 2a , . 2b 2 B , . 2c 2c , . 2d 2d , . 2e 2e , . 2f 2f usw. erzeugt werden. etc. are generated.
  • In In 5 5 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers dargestellt, bei dem die Deckfläche des Keramikkörpers A fifth embodiment of a piezoelectric transducer according to the invention is shown in which the top surface of the ceramic body 1''' 1''' nicht, wie in not, as in 1 1 bzw. or. 4 4 dargestellt, eben ausgebildet ist, sondern Stufen aufweist. is shown flat, but has steps. Auf jeder der senkrecht zur Polarisationsrichtung On each of the perpendicular to the polarization direction 5 5 verlaufenden Stufen ist jeweils eine Elektrode extending stages is in each case an electrode 2a''' 2a '' ' , . 2b''' 2 B''' , . 2c''' 2c '' ' , . 2d''' 2d '' ' , . 2e''' 2e '' ' , . 2f''' 2f '' ' usw. angeordnet. etc. are arranged.
  • Bei dem in In the in 6 6 dargestellten Ausführungsbeispiel, das in Bezug auf den Keramikkörper Embodiment shown, the with respect to the ceramic body 1 1 , die Elektroden , The electrodes 2a 2a , . 2b 2 B , . 2c 2c , . 2d 2d , . 2e 2e , . 2f 2f und and 3 3 sowie auf das Substrat and to the substrate 10 10 dem Ausführungsbeispiel in the embodiment in 4 4 entspricht, sind die Elektroden auf der Deckfläche mindestens teilweise miteinander verbunden. corresponds to the electrode on the top surface are at least partially interconnected. Beispielsweise weisen die Elektroden For example, the electrodes 2a 2a und and 2b 2 B , . 2b 2 B und and 2c 2c usw. jeweils eine, die jeweiligen Elektroden miteinander verbindende, elektrisch leitende Verbindung etc. in each case one, the respective electrodes interconnecting, electrically conductive connection 7 7 auf. on.
  • In In 7 7 ist noch einmal das bereits anhand von is once again the already based on 1 1 erläuterte erste Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Wandlers dargestellt. mentioned first embodiment of a piezoelectric transducer shown. Der Wandler wird mit einer Wechselspannung verschiedener Frequenzen f1 und f2 (sowie ggf. weiteren Frequenzen) versorgt. The transducer is f1 and f2 with an alternating current of different frequencies (and possibly other frequencies) supplied. Diese werden von Frequenzgeneratoren These are of frequency generators 20 20 , . 21 21 erzeugt und von einem Mischer generated by a mixer, and 22 22 gemischt. mixed. Über die Elektroden Via the electrodes 2 2 , . 3 3 wird im Keramikkörper is in the ceramic body 10 10 ein elektrisches Wechselfeld mit beiden Frequenzen f1 und f2 erzeugt. generating an alternating electric field with two frequencies f1 and f2. Der Keramikkörper The ceramic body 1 1 besitzt an verschiedenen Stellen für die beiden Frequenzen f1 und f2 Resonanzbereiche possesses at various points for the two frequencies f1 and f2 resonance ranges 30 30 , . 31 31 . , Nur dort ist die Amplitude der jeweiligen mechanischen Schwingung in Polarisationsrichtung Only there the amplitude of the respective mechanical vibration is in the direction of polarization 5 5 sehr groß. very large. Eine Variation der Frequenzen f1, f2 verändert den Ort A variation of the frequencies f1, f2 changed the place 30 30 , . 31 31 der Stellen hoher mechanischer Schwingung. the locations of high mechanical oscillation. Dies wird noch einmal in This is again in 8 8th verdeutlicht. clarified. Eine Variation der Frequenz f1 (auf der x-Achse des dargestellten Diagramms bezeichnet mit ”freq.” aufgetragen) verändert die Lage des Ortes mit hoher Schwingungsamplitude (auf der y-Achse bezeichnet mit ”ampl.” aufgetragen) A variation of the frequency f1 (on the x-axis of the graph shown designated "freq." Coated with) changes the position of the place with high vibration amplitude (on the y axis labeled "ampl." Applied) 30 30 . , Diese Lage wird senkrecht zur Polarisationsrichtung This layer is perpendicular to the polarization direction 5 5 in Richtung der Breite in the width direction 6 6 (oder der in (Or in 7 7 nicht sichtbaren Länge) des Wandlers verschoben. not visible length) of the transducer moved.
  • Hinsichtlich der Herstellung eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers ist von Vorteil, dass die Polarisation der Keramik kann im fertigen Bauelement mit den angebrachten Elektroden erfolgen kann. With regard to the production of a piezoelectric transducer according to the invention is advantageous in that the polarization of the ceramic can may take place in the finished component with attached electrodes. Damit die maximal zulässige Feldstärke in der Kera mik nicht überschritten wird, können an den verschiedenen Elektroden verschiedene Spannungen zur Polarisation angelegt werden. So that the maximum permissible field strength in the Kera mik is not exceeded, different voltages to the polarization can be applied to the various electrodes. Alternativ kann auch ein polarisierter Keramikkörper in die richtige Form gebracht werden (z. B. durch mechanische Bearbeitung) und anschließend mit Elektroden versehen werden. Alternatively, a polarized ceramic body can be brought into the proper form (e.g., as by mechanical treatment) and are subsequently provided with electrodes.
  • In In 9 9 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Transformators is a first embodiment of a piezoelectric transformer according to the invention 40 40 dargestellt, welcher sich aus zwei keilförmigen Keramikkörpern shown, which is wedge-shaped of two ceramic bodies 1a 1a und and 1b 1b zusammensetzt. composed. Die Keramikkörper The ceramic body 1a 1a und and 1b 1b sind hierbei so angeordnet, dass sie spiegelsymmetrisch zueinander verlaufen. are in this case arranged such that they extend in mirror symmetry to each other. Jeder dieser Keramikkörper Each of these ceramic body 1a 1a , . 1b 1b hat die gleiche Form wie der in has the same form as that in 1 1 dargestellte Keramikkörper Ceramic body shown 1 1 . , Auf der Deckfläche des ersten Keramikkörpers On the top surface of the first ceramic body 1a 1a ist eine erste Elektrode a first electrode 2 2 und auf der Grundfläche des zweiten Keramikkörpers and on the base of the second ceramic body 1b 1b eine zweite Elektrode a second electrode 4 4 angeordnet. arranged. Es ist ferner eine gemeinsame Elektrode It is further a common electrode 3'''' 3 '' '' vorgesehen, die auf der Grundfläche des ersten Keramikkörpers provided on the base surface of the first ceramic body 1a 1a bzw. der Deckfläche des zweiten Keramikkörpers or the top surface of the second ceramic body 1b 1b angeordnet ist und gleichzeitig einen mechanischen Kontakt zwischen den beiden Keramikkörpern is arranged, and at the same time a mechanical contact between the two ceramic bodies 1a 1a und and 1b 1b herstellt. manufactures. Die Keramikkörper The ceramic body 1a 1a und and 1b 1b sind durch die Elektrode are defined by the electrode 3'''' 3 '' '' miteinander verbunden. connected with each other. Durch die in By in 9 9 dargestellte Anordnung der Keramikkörper Arrangement of the ceramic body shown 1a 1a und and 1b 1b ist sichergestellt, dass die Orte mit gleicher Resonanzfrequenz in Polarisationsrichtung This ensures that the places with the same resonant frequency in polarization direction 6 6 übereinander liegen. overlie one another.
  • Alternativ können die Keramikkörper Alternatively, the ceramic body can 1a 1a und and 1b 1b auch, wie bei dem Transformator Also, as in the transformer 40' 40 ' in in 10 10 dargestellt, mittels eines Substrats shown, by means of a substrate 11 11 mechanisch miteinander verbunden werden. are mechanically connected to each other. Hierbei weist der erste Keramikkörper Here, the first ceramic body 1a 1a auf seiner Grundfläche eine Elektrode on its base an electrode 3a 3a und der zweite Keramikkörper and second ceramic bodies 1b 1b auf seiner Deckfläche eine Elektrode on its top surface an electrode 3b 3b auf, welche jeweils an das Substrat in which each of the substrate 11 11 angrenzen. adjoin. Das Substrat kann Teil eines Behälters, Raumes oder Gehäuses sein, durch dessen Wand hindurch ein breitbandiges Signal übertragen wird. The substrate may be part of a container, chamber or housing through its wall a wide-band signal is transmitted. Insbesondere kann dies ein hermetisch abgedichteter Behälter sein. In particular, this can be a hermetically sealed container.
  • Abschließend zeigt Finally shows 11 11 die Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsform eines piezoelektrischen Wandlers mit mehreren Elektroden the top view of an exemplary embodiment of a piezoelectric transducer having a plurality of electrodes 2a 2a , . 2b 2 B , . 2c 2c , . 2d 2d , . 2e 2e , . 2f 2f , deren Flächen sich seitlich in einer Wellenform überlappen. Whose areas overlap laterally in a waveform. Hierdurch überlappen auch die zu den Elektroden zugehörigen Frequenzbereiche, so dass diese gemischt werden können. In this way, also overlap the corresponding frequency ranges to the electrodes so that these can be mixed.
  • 1, 1', 1'', 1''', 1a, 1b 1, 1 ', 1' ', 1' '', 1a, 1b
    Keramikkörper ceramic body
    2, 2' 2, 2 '
    erste Elektrode first electrode
    2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f
    Vielzahl von ersten Elektroden Plurality of first electrodes
    2a',2b', 2c', 2d', 2e', 2f' 2a ', 2b', 2c ', 2d', 2e ', 2f'
    weitere Vielzahl von ersten Elektroden another plurality of first electrodes
    3, 3'', 3'''', 3a, 3b 3, 3 '', 3 '' '', 3a, 3b
    zweite Elektrode second electrode
    4 4
    weitere Elektrode another electrode
    5 5
    Polarisationsrichtung polarization direction
    6 6
    Breitenrichtung width direction
    7 7
    elektrisch leitende Verbindung electrically conductive connection
    10, 10'', 11 10, 10 '', 11
    Substrat substratum
    20, 21 20, 21
    Frequenzgenerator frequency generator
    22 22
    Frequenzmischer frequency mixer
    30, 31 30, 31
    Resonanzbereich resonance range
    40, 40' 40, 40 '
    piezoelektrischer Transformator piezoelectric transformer
    d1 d1
    Dicke des Keramikkörpers Thickness of the ceramic body 1 1 in einem ersten Bereich in a first area
    d2 d2
    Dicke des Keramikkörpers Thickness of the ceramic body 1 1 in einem zweiten Bereich in a second region

Claims (12)

  1. Piezoelektrischer Wandler mit einem plättchenförmigen Keramikkörper ( A piezoelectric transducer having a plate-shaped ceramic body ( 1 1 , . 1 1 , . 1'' 1'' , . 1''' 1''' ) , der in eine Polarisationsrichtung ( ) Which (in a polarization direction 5 5 ) einen piezoelektrischen Effekt aufweist, und mit Aufgrundfläche und Deckfläche des Keramikkörpers angeordneten Elektroden ( ) Has a piezoelectric effect, and is arranged with due to surface and top surface of the ceramic body electrodes ( 2 2 , . 2' 2 ' , . 3 3 , . 3'' 3 '' , . 3'''' 3 '' '' , . 2a 2a , . 2b 2 B , . 2c 2c , . 2d 2d , . 2e 2e , . 2f 2f , . 2a' 2a ' , . 2b' 2 B' , . 2c' 2c ' , . 2d' 2d ' , . 2e' 2e ' , . 2f 2f ), dadurch gekennzeichnet , dass der Keramikkörper ( ), Characterized in that the ceramic body ( 1 1 , . 1' 1' , . 1'' 1'' , . 1''' 1''' ) in einem ersten Bereich und in mindestens einem zweiten Bereich in Polarisationsrichtung ( ) (In the polarization direction in a first region and a second region in at least 5 5 ) unterschiedliche Abmessungen (d1, d2) aufweist. ) Different dimensions (d1, d2) having.
  2. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper ( A piezoelectric transducer according to claim 1, characterized in that the ceramic body ( 1 1 , . 1'' 1'' ) keilförmig oder stufenförmig ausgebildet ist. ) Is wedge-shaped or step-shaped.
  3. Piezoelektrischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper ( Piezoelectric transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic body ( 1 1 , . 1' 1' , . 1'' 1'' , . 1''' 1''' ) über mindestens eine der Elektroden ( ) Via at least one of the electrodes ( 3 3 , . 3'' 3 '' , . 3''' 3 '' ' ) mit einem Substrat ( ) (With a substrate 10 10 , . 10'' 10 '' ) verbunden ist. ) connected is.
  4. Piezoelektrischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ( Piezoelectric transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate ( 10'' 10 '' ) als Kreisringsegment oder Hohlkugelabschnitt ausgebildet ist. ) Is formed as a circular ring segment or hollow spherical section.
  5. Piezoelektrischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grund- und/oder Deckfläche des Keramikkörpers ( Piezoelectric transducer according to one of the preceding claims, characterized in that (on the base and / or cover surface of the ceramic body 1 1 , . 1'' 1'' ) eine Vielzahl von Elektroden ( ) A plurality of electrodes ( 2a 2a , . 2b 2 B , . 2c 2c , . 2d 2d , . 2e 2e , . 2f 2f , . 2a' 2a ' , . 2b' 2 B' , . 2c' 2c ' , . 2d' 2d ' , . 2e' 2e ' , . 2f 2f ) angeordnet ist. ) Is arranged.
  6. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Vielzahl von Elektroden ( A piezoelectric transducer according to claim 5, characterized in that at least two of the plurality of electrodes ( 2a' 2a ' , . 2b' 2 B' , . 2c' 2c ' , . 2d' 2d ' , . 2e' 2e ' , . 2f 2f ), die auf der Grundfläche oder der Deckfläche des Keramikkörpers ( ), Which (on the base surface or the cover surface of the ceramic body 1 1 , . 1'' 1'' ) angeordnet sind, miteinander verbunden sind. ) Are arranged, are connected together.
  7. Piezoelektrischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Begrenzungsflächen Grund- und Deckfläche eine symmetrische Form, vorzugsweise eine Spiegelsymmetrie und/oder eine Punktsymmetrie und/oder eine Rotationssymmetrie, besitzt. Piezoelectric transducer according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the boundary surfaces of the base and top surface of a symmetrical shape, preferably a mirror symmetry and / or a point of symmetry and / or a rotational symmetry has.
  8. Piezoelektrischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper ( Piezoelectric transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic body ( 1 1 , . 1' 1' , . 1'' 1'' , . 1''' 1''' ) aus einem Keramikmaterial hoher Güte besteht. ) Consists of a ceramic material of high quality.
  9. Piezoelektrischer Transformator ( A piezoelectric transformer ( 40 40 , . 40' 40 ' ) mit einem ersten und mindestens einem zweiten piezoelektrischen Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche. ) Having a first and at least a second piezoelectric transducer according to one of the preceding claims.
  10. Piezoelektrischer Transformator ( A piezoelectric transformer ( 40 40 , . 40' 40 ' ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dieser neben dem ersten piezoelektrischen Wandler genau einen zweiten piezoelektrischen Wandler aufweist, wobei der erste und der zweite piezoelektrische Wandler baugleich aufgebaut und spiegelverkehrt angeordnet sind, wobei die Bereiche mit der gleichen Abmessung des jeweiligen Keramikkörpers ( ) According to claim 9, characterized in that it has next to the first piezo electric transducer exactly a second piezoelectric transducer, wherein the first and the second piezoelectric transducer are identical constructed and arranged mirror-inverted, said areas having the same dimension of the respective ceramic body ( 1a 1a , . 1b 1b ) in Polarisationsrichtung ( ) (In the polarization direction 5 5 ) in mechanischem Kontakt miteinander stehen. ) Are in mechanical contact.
  11. Piezoelektrischer Transformator ( A piezoelectric transformer ( 40 40 , . 40' 40 ' ) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der mindestens eine zweie piezoelektrische Wandler mindestens eine gemeinsame, auf gegenüber liegenden Begrenzungsflächen der jeweiligen Keramikkörper ( ) According to one of claims 9 to 10, characterized in that the first and the at least one two BWA piezoelectric transducer (at least a joint, located on opposite boundary surfaces of the respective ceramic body 1a 1a , . 1b 1b ) angeordnete Elektrode ( ) Located electrode ( 3'' 3 '' ) aufweisen. ) respectively.
  12. Piezoelektrischer Transformator ( A piezoelectric transformer ( 40 40 , . 40' 40 ' ) nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und dem mindestens einen zweiten Wandler ein Substrat ( ) According to one of claims 9 to 10, characterized in that (between the first and the at least one second transducer, a substrate 11 11 ) angeordnet ist. ) Is arranged.
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