DE102010041200A1 - Piezoceramic bending transducer - Google Patents

Piezoceramic bending transducer Download PDF

Info

Publication number
DE102010041200A1
DE102010041200A1 DE102010041200A DE102010041200A DE102010041200A1 DE 102010041200 A1 DE102010041200 A1 DE 102010041200A1 DE 102010041200 A DE102010041200 A DE 102010041200A DE 102010041200 A DE102010041200 A DE 102010041200A DE 102010041200 A1 DE102010041200 A1 DE 102010041200A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
bending transducer
longitudinal end
passive
piezoceramic
bending
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102010041200A
Other languages
German (de)
Inventor
Carsten Schuh
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Priority to DE102010041200A priority Critical patent/DE102010041200A1/en
Priority to PCT/EP2011/065023 priority patent/WO2012038223A1/en
Priority to EP11760426A priority patent/EP2564437A1/en
Publication of DE102010041200A1 publication Critical patent/DE102010041200A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/304—Beam type
    • H10N30/306—Cantilevers

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Abstract

Ein Piezokeramischer Biegewandler (1) weist eine Einspannung (7) an seinem einen Längsende (13) auf und hat eine vorherbestimmten Auslenkrichtung (15) an seinem anderen, freien Längsende (14), wobei der Biegewandler (1) von einem Piezokeramikbalken (2, 3) und einem Passivbalken (4) gebildet ist, die in die Auslenkrichtung (15) gestapelt aneinandergelegt und deren Biegesteifigkeiten derart dimensioniert sind, dass beim Auslenken des Biegewandlers (1) stets eine Zug-Druck-Spannungsübergangslinie (9) in dem Passivbalken (4) angesiedelt ist und die Biegesteifigkeit des Passivbalkens (4) entlang der Zug-Druck-Spannungsübergangslinie (9) zum freien Längsende (14) hin abnimmt, so dass die Spannungsverteilung in dem Passivbalken (4) entlang der Zug-Druck-Spannungsübergangslinie (9) zum freien Längsende (14) hin homogen ist.A piezoceramic bending transducer (1) has a clamp (7) at its one longitudinal end (13) and has a predetermined deflection direction (15) at its other, free longitudinal end (14), the bending transducer (1) being supported by a piezoceramic beam (2, 3) and a passive beam (4), which are stacked against one another in the deflection direction (15) and whose bending stiffnesses are dimensioned in such a way that when the bending transducer (1) is deflected there is always a tension-compression-stress transition line (9) in the passive beam (4 ) and the bending stiffness of the passive beam (4) decreases along the tension-compression-stress transition line (9) towards the free longitudinal end (14), so that the stress distribution in the passive beam (4) along the tension-compression-tension transition line (9) is homogeneous towards the free longitudinal end (14).

Description

Die Erfindung betrifft einen piezokeramischen Biegewandler.The invention relates to a piezoceramic bending transducer.

Ein herkömmlicher piezokeramischer Biegewandler weist eine Piezokeramikschicht und eine Trägerschicht auf, auf der die Piezokeramikschicht aufgebracht ist. Die Schichten sind einseitig eingespannt und werden an ihrem der Einspannung abgewandten Ende ausgelenkt, so dass sie eine Durchbiegung erfahren. Dabei kommt in der Piezokeramikschicht der piezokeramische Effekt zum Tragen, bei dem aufgrund einer linearen elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen den mechanischen und den elektrischen Zuständen eines Kristalls der Piezokeramikschicht eine den Kristall deformierende mechanische Spannung ein äußeres elektrisches Feld erzeugt.A conventional piezoceramic bending transducer has a piezoceramic layer and a carrier layer on which the piezoceramic layer is applied. The layers are clamped on one side and are deflected at their end facing away from the clamping, so that they undergo a deflection. In this case, the piezoceramic effect comes into play in the piezoceramic layer, in which, due to a linear electromagnetic interaction between the mechanical and electrical states of a crystal of the piezoceramic layer, a mechanical voltage deforming the crystal generates an external electric field.

Der piezokeramische Biegewandler weist mindestens zwei Lagen von der Piezokeramikschicht und die Trägerschicht auf, wobei nur die Piezokeramikschicht piezoelektrisch aktiv und die Trägerschicht passiv ist. Die Trägerschicht bildet für die Piezokeramikschicht sowohl eine Abstützung als auch eine Biegeversteifung. Weist der piezokeramische Biegewandler eine einzige Piezokeramikschicht und eine einzige Trägerschicht auf, so wird sein Aufbau als monomorph bezeichnet. Weist der piezokeramische Biegewandler zwei Piezokeramikschichten auf, zwischen denen die Trägerschicht angeordnet ist, so wird sein Aufbau als bimorph bezeichnet. Denkbar ist eine Bauart des piezokeramischen Biegewandlers, bei dem mehrere Piezokeramikschichten ohne die Trägerschicht aneinanderliegend angeordnet sind, wobei dieser Aufbau als multimorph bezeichnet wird.The piezoceramic bending transducer has at least two layers of the piezoceramic layer and the carrier layer, wherein only the piezoceramic layer is piezoelectrically active and the carrier layer is passive. The carrier layer forms both a support and a bending reinforcement for the piezoceramic layer. If the piezoceramic bending transducer has a single piezoceramic layer and a single carrier layer, its structure is referred to as monomorphic. If the piezoceramic bending transducer has two piezoceramic layers, between which the carrier layer is arranged, then its structure is referred to as bimorph. Conceivable is a type of piezoceramic bending transducer in which a plurality of piezoceramic layers are arranged adjacent to each other without the carrier layer, this structure being referred to as multimorph.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezokeramischen Biegewandler zu schaffen, der eine hohe Lebensdauer hat und bei dem der piezoelektrische Effekt effektiv genutzt ist.The object of the invention is to provide a piezoceramic bending transducer, which has a long service life and in which the piezoelectric effect is effectively used.

Der erfindungsgemäße piezokeramische Biegewandler weist eine Einspannung an seinem einen Längsende auf und hat an seinem anderen, freien Längsende eine vorherbestimmte Auslenkrichtung, wobei der Biegewandler von einem Piezokeramikbalken und einem Passivbalken gebildet ist, die in die Auslenkrichtung gestapelt aneinandergelegt und deren Biegesteifigkeiten derart dimensioniert sind, dass beim Auslenken des Biegewandlers stets eine Zug-Druck-Spannungsübergangslinie in dem Passivbalken angesiedelt ist und die Biegesteifigkeit des Passivbalkens entlang der Zug-Druck-Spannungsübergangslinie zum freien Längsende hin abnimmt. Dadurch ist die Zug-Druck-Spannungsübergangslinie als die inaktive Mittellage des Biegewandlers im Bereich eines biegeneutralen Bereichs hinsichtlich der Biegesteifigkeit gradiert ausgebildet, wobei die Biegesteifigkeit vom Einspannbereich bis hin zum freien Längsende abnimmt. Erfindungsgemäß nimmt die Biegesteifigkeit des Passivbalkens entlang der Zug-Druck-Spannungsübergangslinie zum freien Längsende hin derart ab, dass die Spannungsverteilung in dem Passivbalken entlang der Zug-Druck-Spannungsübergangslinie zum freien Längsende hin homogen ist. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass die mechanische Deformation des Biegewandlers bei seiner Auslenkung und somit die in dem Biegewandler wirkenden Druck- und Zugspannungen über die gesamte freie Biegelänge des Biegewandlers homogen sind, wodurch der Piezokeramikbalken ebenso homogen und dadurch effektiv hinsichtlich des piezoelektrischen Effekts belastet wird. Dies führt vorteilhaft zu einem maximalen Beitrag an Ladungsgenerierung in dem Piezokeramikbalken, wodurch mit dem Piezokeramikbalken eine hohe Ausgangsspannung bei einem großen Anwendungsbereich generiert ist. Ferner führt die Homogenisierung der mechanischen Spannungen in dem Biegewandler zu einer Erhöhung von dessen Lebensdauer und somit zu einer Erhöhung von dessen Zuverlässigkeit beim Betrieb.The piezoceramic bending transducer according to the invention has a clamping at its one longitudinal end and has at its other, free longitudinal end a predetermined deflection, wherein the bending transducer is formed by a piezoceramic beam and a passive beam, which stacked in the deflection and the bending stiffnesses are dimensioned such that when deflecting the bending transducer always a train-pressure-voltage transition line is located in the passive beam and the flexural rigidity of the passive beam along the train-pressure-voltage transition line to the free longitudinal end decreases. As a result, the tension-pressure-voltage transition line is graded in terms of bending stiffness as the inactive central position of the bending transducer in the region of a bending-neutral region, with the flexural rigidity decreasing from the clamping region to the free longitudinal end. According to the invention, the bending stiffness of the passive beam decreases along the tension-pressure-voltage transition line towards the free longitudinal end such that the stress distribution in the passive beam along the tension-pressure-voltage transition line to the free longitudinal end is homogeneous. This advantageously achieves that the mechanical deformation of the bending transducer in its deflection and thus acting in the bending transducer compressive and tensile stresses over the entire free bending length of the bending transducer are homogeneous, whereby the piezoceramic beam is equally homogeneous and thus effectively loaded with respect to the piezoelectric effect. This advantageously leads to a maximum contribution to charge generation in the piezoceramic beam, as a result of which a high output voltage is generated with the piezoceramic beam over a wide range of applications. Furthermore, the homogenization of the mechanical stresses in the bending transducer leads to an increase in its lifetime and thus to an increase in its reliability during operation.

An dem freien Längsende kann an dem Biegewandler bevorzugt eine seismische Masse vorgesehen sein. Durch eine entsprechende Dimensionierung der seismischen Masse kann die Biegeresonanz des Biegewandlers eingestellt werden. Bei einem herkömmlichen Biegewandler ist zu beobachten, dass bei einer Vergrößerung der seismischen Masse eine Verstärkung der Inhomogenität der mechanischen Spannungen in dem Biegewandler die Folge ist. Dem entgegen wirkt beim erfindungsgemäßen Biegewandler die vorteilhaft bewirkte Homogenisierung der mechanischen Spannungen in dem Biegewandler, wodurch bei einer Vergrößerung der seismischen Masse bei gleichbleibender Gestaltung des Biegewandlers die Homogenität der mechanischen Spannungen im erfindungsgemäßen Biegewandler im Wesentlichen gleich bleibt. Dadurch hat der erfindungsgemäße Biegewandler auch mit der vorgesehenen seismischen Masse eine hohe Lebensdauer und eine hohe Zuverlässigkeit im Betrieb.At the free longitudinal end may be provided on the bending transducer preferably a seismic mass. By appropriate dimensioning of the seismic mass, the bending resonance of the bending transducer can be adjusted. In a conventional bending transducer, it can be observed that an increase in the seismic mass results in an increase in the inhomogeneity of the mechanical stresses in the bending transducer. Contrary to the bending transducer according to the invention, the advantageously effected homogenization of the mechanical stresses in the bending transducer, whereby the homogeneity of the mechanical stresses in the bending transducer according to the invention remains substantially the same with an enlargement of the seismic mass with constant design of the bending transducer. As a result, the bending transducer according to the invention has a long service life and high reliability during operation, even with the seismic mass provided.

Bevorzugtermaßen nimmt die Biegesteifigkeit des Passivbalkens entlang der Zug-Druck-Spannungsübergangslinie zum freien Längsende hin linear ab. Bevorzugt ist es, dass die Dicke des Passivbalkens entlang der Zug-Druck-Spannungsübergangslinie zum freien Längsende hin in der vom Biegewandler beim Auslenken überstrichenen Ebene abnimmt. Somit ist der Passivbalken in der vom Biegewandler beim Auslenken überstrichenen Ebene als ein Keil ausgebildet, der zum freien Längsende hin sich verjüngt, wodurch der Passivbalken effektiv als eine Versteifungsschicht für den Piezokeramikbalken wirkt.The bending stiffness of the passive beam preferably decreases linearly along the tension-pressure-voltage transition line towards the free longitudinal end. It is preferred that the thickness of the passive beam decreases along the tension-pressure-voltage transition line to the free longitudinal end in the plane swept by the bending transducer when deflecting. Thus, in the plane swept by the flexural transducer when deflecting, the passive beam is formed as a wedge which tapers towards the free longitudinal end, whereby the passive beam effectively acts as a stiffening layer for the piezoceramic beam.

Ferner ist es bevorzugt, dass der Passivbalken aus einer Mehrzahl an Schichten gebildet ist, die gleich dick übereinandergelegt und parallel zur Zug-Druck-Spannungsübergangslinie verlaufen sowie an dem eingespannten Längsende bündig zueinander angeordnet sind und derart unterschiedliche Längen zum freien Längsende hin haben, dass die Dicke des Passivbalkens entlang der Zug-Druck-Spannungsübergangslinie zum freien Längsende hin in der vom Biegewandler beim Auslenken überstrichenen Ebene abnimmt. Dadurch kann vorteilhaft die Steifigkeit des Passivbalkens über die örtlich vorliegende Anzahl der Schichten, deren Dickenverteilung und deren gegenseitige mechanischer Kopplung sowie deren Längenverteilung eingerichtet werden. Es ist bevorzugt, dass die Zug-Druck-Spannungsübergangslinie in der mittleren Schicht des Passivbalkens liegt. Alternativ bevorzugt ist es, dass der Passivbalken von einer in situ bereits keilförmigen Einzellage gebildet ist. Further, it is preferred that the passive beam is formed of a plurality of layers, the same thickness superimposed and parallel to the train-pressure-voltage transition line and are arranged flush with each other at the clamped longitudinal end and have such different lengths to the free longitudinal end out that the Thickness of the passive beam decreases along the train-pressure-voltage transition line to the free longitudinal end in the plane swept by the bending transducer when deflecting. As a result, the rigidity of the passive beam can advantageously be established by means of the locally present number of layers, their thickness distribution and their mutual mechanical coupling, and their length distribution. It is preferred that the tension-pressure-voltage transition line lies in the middle layer of the passive beam. Alternatively, it is preferred that the passive beam is formed by an in situ already wedge-shaped single layer.

Außerdem ist es bevorzugt, dass der Passivbalken von einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist, dessen Faserdichte entlang der Zug-Druck-Spannungsübergangslinie zum freien Längsende hin abnimmt. Hierbei ist es bevorzugt, dass der Passivbalken einen Prepreg-Körper aufweist. Der Prepreg-Körper ist ein Halbzeug, das Langfasern in einer ungehärteten duroplastischen Kunststoffmatrix aufweist. Alle Langfasern sind am eingespannten Längsende bündig angeordnet und haben abnehmende Längen zum freien Längsende hin, so dass die Dichte der Langfasern in dem Passivbalken von der Einspannung bis zum freien Längsende hin abnimmt. Die Langfasern sind bevorzugt an der Längsrichtung des Passivbalkens ausgerichtet.In addition, it is preferred that the passive beam is formed by a fiber composite whose fiber density decreases along the train-pressure-voltage transition line to the free longitudinal end. In this case, it is preferable that the passive beam has a prepreg body. The prepreg body is a semi-finished product having long fibers in an uncured thermosetting plastic matrix. All long fibers are arranged flush with the clamped longitudinal end and have decreasing lengths towards the free longitudinal end, so that the density of the long fibers in the passive beam decreases from the clamping to the free longitudinal end. The long fibers are preferably aligned with the longitudinal direction of the passive beam.

Der Biegewandler ist bevorzugt trimorph ausgebildet und weist zwei Piezokeramikbalken auf, zwischen denen der Passivbalken liegt. Alternativ bevorzugt ist es den Biegewandler bimorph oder multimorph auszuführen. Der Piezokeramikbalken ist bevorzugt auf den Passivbalken geklebt.The bending transducer is preferably formed trimorphic and has two piezoceramic bars, between which the passive beam is located. Alternatively, it is preferable to perform the bending transducer bimorph or multimorph. The piezoceramic beam is preferably glued to the passive beam.

Außerdem ist es bevorzugt, dass der Biegewandler als ein Piezogenerator eingerichtet ist. Hierfür sind an dem Piezokeramikbalken jeweils an der im Druckspannungsbereich liegenden Oberfläche eine Elektrode und an dem im Zugspannungsbereich des Piezokeramikbalkens liegende Oberfläche eine andere Elektrode angebracht. Bei einer entsprechenden Auslenkung des Biegewandlers stellt sich aufgrund des piezoelektrischen Effekts an den Elektroden eine Spannungsdifferenz ein.In addition, it is preferred that the bending transducer is set up as a piezo-generator. For this purpose, an electrode is attached to the piezoceramic beam, in each case on the surface lying in the compressive stress range, and another electrode is attached to the surface lying in the tensile stress region of the piezoceramic beam. With a corresponding deflection of the bending transducer, a voltage difference arises due to the piezoelectric effect at the electrodes.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Biegewandlers anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen gezeigt. Es zeigen:In the following the invention will be shown with reference to preferred embodiments of the bending transducer according to the invention with reference to the accompanying schematic drawings. Show it:

1 einen Längsschnitt einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Biegewandlers und 1 a longitudinal section of a first embodiment of the bending transducer according to the invention and

2 einen Längsschnitt einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Biegewandlers. 2 a longitudinal section of a second embodiment of the bending transducer according to the invention.

Wie aus 1 und 2 ersichtlich ist, weist ein piezokeramischer Biegewandler 1 einen ersten Piezokeramikbalken 2 und einen zweiten Piezokeramikbalken 3 auf. Zwischen den Piezokeramikbalken 2, 3 ist ein Passivbalken 4 angeordnet. Die Piezokeramikbalken 2, 3 und der Passivbalken 4 sind an ihrem einen Längsende 13 mit einem Einspannungsblock 7 fest eingespannt, wohingegen das dem eingespannten Längsende 13 abgewandt liegende freie Längsende 14 des Biegewandlers 1 einer Auslenkung unterworfen sein kann. Die Auslenkung ist in Richtung einer Auslenkungsrichtung 15, die in der Zeichenebene der 1 und 2 liegt und mit einem Doppelpfeil angedeutet ist.How out 1 and 2 can be seen, has a piezoceramic bending transducer 1 a first piezoceramic beam 2 and a second piezoceramic beam 3 on. Between the piezoceramic beams 2 . 3 is a passive bar 4 arranged. The piezoceramic beams 2 . 3 and the passive bar 4 are at their one longitudinal end 13 with a clamping block 7 firmly clamped, whereas the clamped longitudinal end 13 facing away free longitudinal end 14 of the bending transducer 1 may be subjected to a deflection. The deflection is in the direction of a deflection direction 15 in the drawing plane of the 1 and 2 lies and is indicated by a double arrow.

Wird der Biegewandler 1 beispielsweise durch eine am freien Längsende 14 in 1 und 2 nach unten angreifenden Kraft nach unten in die Auslenkrichtung 15 ausgelenkt, so stellt sich in den Piezokeramikbalken 2, 3 und dem Passivbalken 4 eine entsprechende Zug-Druck-Spannungsverteilung ein. Von dem ersten Piezokeramikbalken 2 zu dem zweiten Piezokeramikbalken 3 durchläuft in dem Passivbalken 4 die Spannungsverteilung den Nullpunkt, an dem die Zug-Druck-Spannungsübergangslinie 9 in dem Passivbalken 4 liegt. Die Biegesteifigkeit der Piezokeramikbalken 2, 3 und des Passivbalkens 4 sind derart dimensioniert, dass bei allen denkbaren und in Erwägung gezogenen Auslenkungen die Zug-Druck-Spannungsübergangslinie 9 stets innerhalb des Passivbalkens 4 verläuft.Will the bending transducer 1 for example, by a free longitudinal end 14 in 1 and 2 downwardly acting force down in the direction of deflection 15 deflected, it turns into the piezoceramic beam 2 . 3 and the passive bar 4 a corresponding train-pressure-voltage distribution. From the first piezoceramic beam 2 to the second piezoceramic beam 3 goes through in the passive bar 4 the stress distribution is the zero point at which the tension-pressure-voltage transition line 9 in the passive bar 4 lies. The bending stiffness of the piezoceramic beams 2 . 3 and the passive bar 4 are dimensioned such that in all conceivable and contemplated displacements the train-pressure-voltage transition line 9 always within the passive bar 4 runs.

Die freien Seiten der Piezokeramikbalken 2, 3 sind jeweils mit einer ersten Elektrode 5 und die dem Passivbalken 4 zugewandten Seiten der Piezokeramikbalken 2, 3 sind jeweils mit einer zweiten Elektrode 6 ausgestattet. Bei einer Auslenkung des Biegewandlers 1 stellt sich entsprechend dem piezoelektrischen Effekt, der in den Piezokeramikbalken 2, 3 zum Tragen kommt, zwischen den Elektroden 5, 6 eine entsprechende Spannungsdifferenz ein. An dem freien Längsende 14 des Biegewandlers 1 ist eine seismische Masse 8 angebracht, die gemäß einer gewünschten Biegeresonanz des Biegewandlers 1 in ihrer Größe dimensioniert ist. Je größer die seismische Masse 8 ist, desto kleiner ist die Frequenz des biegekritischen Schwingungsmodes des Biegewandlers 1.The free sides of the piezoceramic beams 2 . 3 are each with a first electrode 5 and the passive beam 4 facing sides of the piezoceramic beam 2 . 3 are each with a second electrode 6 fitted. At a deflection of the bending transducer 1 turns according to the piezoelectric effect, which in the piezoceramic beam 2 . 3 comes to fruition, between the electrodes 5 . 6 a corresponding voltage difference. At the free longitudinal end 14 of the bending transducer 1 is a seismic mass 8th mounted according to a desired bending resonance of the bending transducer 1 dimensioned in size. The larger the seismic mass 8th is, the smaller is the frequency of the bending-critical vibration mode of the bending transducer 1 ,

Der Biegewandler 1 wirkt als ein Piezogenerator. Dabei wird mittels externer Schwingungsanregung der Biegewandler 1 und insbesondere seine seismische Masse 8 zu Biegeschwingungen angeregt, wodurch die Piezokeramikbalken 2, 3 wechselseitig einer Druck- und einer Zug-Beanspruchung ausgesetzt sind. Dementsprechend liegen zwischen den Elektroden 5, 6 wechselseitig Spannungen an, die abgreifbar sind.The bending transducer 1 acts as a piezoelectric generator. In this case, by means of external vibration excitation of the bending transducer 1 and especially its seismic mass 8th excited to bending vibrations, causing the piezoceramic beams 2 . 3 Mutually subjected to a compressive and a tensile stress. Accordingly, lie between the electrodes 5 . 6 Mutually voltages that can be tapped.

Gemäß 1 nimmt die Dicke 10 des Passivbalkens 4 vom eingespannten Längsende 13 zum freien Längsende 14 entlang der Zug-Druck-Spannungsübergangslinie 9 linear ab. Dadurch ist der Passivbalken 4 als ein Keil ausgebildet. Das Material des Passivbalkens 4 hat isotrope Stoffeigenschaften, wodurch die Biegesteifigkeit des Passivbalkens vom eingespannten Längsende 13 zu dem freien Längsende 14 hin abnimmt. Dadurch ist bei einer Auslenkung des Biegewandlers 1 in die Auslenkrichtung 15 das Spannungsniveau im Passivbalken 4 im Wesentlichen konstant. Dadurch ist das Zug- bzw. Druck-Spannungsniveau in den Piezokeramikbalken 2, 3 entlang ihrer Längserstreckung ebenfalls im Wesentlichen konstant, wodurch in den Piezokeramikbalken 2, 3 der piezoelektrische Effekt gleichmäßig über deren Längserstreckung auftritt. Somit ist der Ladungseintrag in die Elektroden 5, 6 entlang der Längsrichtung der Piezokeramikbalken 2, 3 im Wesentlichen konstant, wodurch die Ladungsausbeute aufgrund des piezoelektrischen Effekts in den Piezokeramikbalken 2, 3 hoch ist.According to 1 takes the thickness 10 of the passive bar 4 from the clamped longitudinal end 13 to the free longitudinal end 14 along the train-pressure-voltage transition line 9 linearly. This is the passive bar 4 formed as a wedge. The material of the passive beam 4 has isotropic material properties, whereby the flexural rigidity of the passive beam from the clamped longitudinal end 13 to the free longitudinal end 14 decreases. This is at a deflection of the bending transducer 1 in the deflection direction 15 the voltage level in the passive bar 4 essentially constant. As a result, the tension or pressure stress level in the piezoceramic beam 2 . 3 along its longitudinal extent also substantially constant, whereby in the piezoceramic beam 2 . 3 the piezoelectric effect occurs uniformly over its longitudinal extent. Thus, the charge entry into the electrodes 5 . 6 along the longitudinal direction of the piezoceramic beams 2 . 3 essentially constant, whereby the charge efficiency due to the piezoelectric effect in the piezoceramic beam 2 . 3 is high.

Außerdem braucht bei der Auslenkung des Biegewandlers 1 auf eventuell auftretende Spannungsspitzen und daraus resultierenden Ladungsspitzen nicht Rücksicht genommen zu werden, da die Spannungsverteilung und die Ladungsverteilung über die Längserstreckung der Piezokeramikbalken 2, 3 im Wesentlichen konstant ist. Diese Konstanz ist beibehalten bei unterschiedlich schweren seismischen Massen 8, wodurch der Biegewandler 1 einen großen Anwendungsbereich hat.In addition, when the deflection of the bending transducer needs 1 Not to be taken into account for possible voltage peaks and resulting charge peaks, since the voltage distribution and the charge distribution over the longitudinal extent of the piezoceramic beam 2 . 3 is essentially constant. This constancy is maintained in seismic masses of different weights 8th , whereby the bending transducer 1 has a large scope.

Im Gegensatz zur Ausführungsform gemäß 1 ist gemäß einer weiteren Ausführungsform gemäß 2 ein gleichdicker Passivbalken 4 gewählt, wodurch die Piezokeramikbalken 2, 3 parallel zueinander angeordnet sind. Der Passivbalken 4 weist einen Harzkörper 11 auf, in dem eine Mehrzahl an Fasern 12 eingelagert ist, so dass der Passivbalken 4 von einem Faserverbundmaterial gebildet ist. Die Dichte der Fasern 12 ist am eingespannten Längsende 13 am höchsten und am freien Längsende 14 am niedrigsten, wobei die Dichte der Fasern 12 von dem eingespannten Längsende 13 zu dem freien Längsende 14 abfällt. Der Verlauf der Dichte der Fasern 12 über die Längserstreckung des Passivbalkens 4 ist derart gewählt, dass bei einer Auslenkung des Biegewandlers 1 das Spannungsniveau in dem Passivbalken 4 im Wesentlichen konstant ist.In contrast to the embodiment according to 1 is according to another embodiment according to 2 an equally thick passive bar 4 chosen, causing the piezoceramic beams 2 . 3 are arranged parallel to each other. The passive bar 4 has a resin body 11 in which a plurality of fibers 12 is stored, so that the passive beam 4 is formed by a fiber composite material. The density of the fibers 12 is at the clamped longitudinal end 13 highest and at the free longitudinal end 14 lowest, with the density of the fibers 12 from the clamped longitudinal end 13 to the free longitudinal end 14 drops. The course of the density of the fibers 12 over the longitudinal extension of the passive beam 4 is chosen such that at a deflection of the bending transducer 1 the voltage level in the passive bar 4 is essentially constant.

Die Fasern 12 können eine kurze Länge im Vergleich zur Länge des Harzkörpers 11 haben, wobei die Dichte der Fasern 12 im Harzkörper 11 durch deren Verteilung im Harzkörper 11 definiert ist. Alternativ können die Fasern 12 eine große Länge im Vergleich zur Länge des Harzkörpers 11 haben und vom eingespannten Längsende 13 in dem Passivbalken 4 zu dem freien Längsende 14 hin verlaufen. Durch das Vorsehen von entsprechend längeren und kürzeren Fasern 12 nimmt die örtliche Anzahl an Fasern über die Längserstreckung des Harzkörpers 11 gesehen ab, da zunehmend immer weniger Fasern 12 in den Bereich des freien Längsendes 14 reichen. Dadurch nimmt über die Zug-Druck-Spannungsübergangslinie 9 die Biegesteifigkeit des Passivbalkens 4 ab, wodurch bei einer Auslenkung des Biegewandlers 1 das Spannungsniveau in dem Passivbalken 4 und in den Piezokeramikbalken 2, 3 im Wesentlichen konstant ist.The fibers 12 can be a short length compared to the length of the resin body 11 have, the density of the fibers 12 in the resin body 11 by their distribution in the resin body 11 is defined. Alternatively, the fibers can 12 a long length compared to the length of the resin body 11 have and from the clamped longitudinal end 13 in the passive bar 4 to the free longitudinal end 14 run out. By providing correspondingly longer and shorter fibers 12 takes the local number of fibers over the length of the resin body 11 seen as increasingly fewer and fewer fibers 12 in the area of the free longitudinal end 14 pass. This takes over the train-pressure-voltage transition line 9 the flexural rigidity of the passive beam 4 from, whereby at a deflection of the bending transducer 1 the voltage level in the passive bar 4 and in the piezoceramic beams 2 . 3 is essentially constant.

Claims (10)

Piezokeramischer Biegewandler (1) mit einer Einspannung (7) an seinem einen Längsende (13) und einer vorherbestimmten Auslenkrichtung (15) an seinem anderen, freien Längsende (14), wobei der Biegewandler (1) von einem Piezokeramikbalken (2, 3) und einem Passivbalken (4) gebildet ist, die in die Auslenkrichtung (15) gestapelt aneinandergelegt und deren Biegesteifigkeiten derart dimensioniert sind, dass beim Auslenken des Biegewandlers (1) stets eine Zug-Druck-Spannungsübergangslinie (9) in dem Passivbalken (4) angesiedelt ist und die Biegesteifigkeit des Passivbalkens (4) entlang der Zug-Druck-Spannungsübergangslinie (9) zum freien Längsende (14) hin abnimmt, so dass die Spannungsverteilung in dem Passivbalken (4) entlang der Zug-Druck-Spannungsübergangslinie (9) zum freien Längsende (14) hin homogen ist.Piezoceramic bending transducer ( 1 ) with a clamping ( 7 ) at its one longitudinal end ( 13 ) and a predetermined deflection direction ( 15 ) at its other, free longitudinal end ( 14 ), wherein the bending transducer ( 1 ) of a piezoceramic beam ( 2 . 3 ) and a passive bar ( 4 ) is formed in the direction of deflection ( 15 ) stacked and their bending stiffnesses are dimensioned such that when deflecting the bending transducer ( 1 ) always a train-pressure-voltage transition line ( 9 ) in the passive bar ( 4 ) and the bending stiffness of the passive beam ( 4 ) along the tension-pressure voltage transition line ( 9 ) to the free longitudinal end ( 14 ), so that the stress distribution in the passive beam ( 4 ) along the tension-pressure voltage transition line ( 9 ) to the free longitudinal end ( 14 ) is homogeneous. Biegewandler gemäß Anspruch 1, wobei die Biegesteifigkeit des Passivbalkens (4) entlang der Zug-Druck-Spannungsübergangslinie (9) zum freien Längsende (14) hin linear abnimmt.Bending transducer according to claim 1, wherein the flexural rigidity of the passive beam ( 4 ) along the tension-pressure voltage transition line ( 9 ) to the free longitudinal end ( 14 ) decreases linearly. Biegewandler gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Dicke (10) des Passivbalkens (4) entlang der Zug-Druck-Spannungsübergangslinie (9) zum freien Längsende (14) hin in der vom Biegewandler (1) beim Auslenken überstrichenen Ebene abnimmt.Bending transducer according to claim 1 or 2, wherein the thickness ( 10 ) of the passive bar ( 4 ) along the tension-pressure voltage transition line ( 9 ) to the free longitudinal end ( 14 ) in the bending transducer ( 1 ) decreases when deflecting swept level. Biegewandler gemäß Anspruch 3, wobei der Passivbalken (4) aus einer Mehrzahl an Schichten gebildet ist, die gleichdick übereinandergelegt und parallel zur Zug-Druck-Spannungsübergangslinie (9) verlaufen sowie am einen Längsende (13) bündig zueinander angeordnet sind und derart unterschiedliche Längen zum freien Längsende (14) hin haben, dass die Dicke (10) des Passivbalkens (4) entlang der Zug-Druck-Spannungsübergangslinie (9) zum freien Längsende (14) hin in der vom Biegewandler (1) beim Auslenken überstrichenen Ebene abnimmt.Bending transducer according to claim 3, wherein the passive beam ( 4 ) is formed from a plurality of layers, which are equally thick superimposed and parallel to the train-pressure-voltage transition line ( 9 ) and at one longitudinal end ( 13 ) are arranged flush with each other and so different lengths to the free longitudinal end ( 14 ), that the thickness ( 10 ) of the passive bar ( 4 ) along the tension-pressure voltage transition line ( 9 ) to the free longitudinal end ( 14 ) in the bending transducer ( 1 ) decreases when deflecting swept level. Biegewandler gemäß Anspruch 4, wobei die Zug-Druck-Spannungsübergangslinie (9) in der mittleren Schicht des Passivbalkens (4) liegt. Bending transducer according to claim 4, wherein the tension-pressure-voltage transition line ( 9 ) in the middle layer of the passive beam ( 4 ) lies. Biegewandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Passivbalken (4) von einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist, dessen Faserdichte (12) entlang der Zug-Druck-Spannungsübergangslinie (9) zum freien Längsende (14) hin abnimmt.Bending transducer according to one of claims 1 to 5, wherein the passive beam ( 4 ) is formed by a fiber composite whose fiber density ( 12 ) along the tension-pressure voltage transition line ( 9 ) to the free longitudinal end ( 14 ) decreases. Biegewandler gemäß Anspruch 6, wobei der Passivbalken (4) einen Prepreg-Körper aufweist.Bending transducer according to claim 6, wherein the passive beam ( 4 ) has a prepreg body. Biegewandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Biegewandler (1) trimorph ausgebildet ist und zwei Piezokeramikbalken (2, 3) und den dazwischen liegenden Passivbalken (4) aufweist.Bending transducer according to one of claims 1 to 7, wherein the bending transducer ( 1 ) is formed trimorphically and two piezoceramic bars ( 2 . 3 ) and the intermediate passive bars ( 4 ) having. Biegewandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Piezokeramikbalken (2, 3) auf den Passivbalken (4) geklebt ist.Bending transducer according to one of claims 1 to 8, wherein the piezoceramic beam ( 2 . 3 ) on the passive bar ( 4 ) is glued. Biegewandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Biegewandler (1) als ein Piezogenerator eingerichtet ist.Bending transducer according to one of claims 1 to 9, wherein the bending transducer ( 1 ) is set up as a piezo-generator.
DE102010041200A 2010-09-22 2010-09-22 Piezoceramic bending transducer Withdrawn DE102010041200A1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102010041200A DE102010041200A1 (en) 2010-09-22 2010-09-22 Piezoceramic bending transducer
PCT/EP2011/065023 WO2012038223A1 (en) 2010-09-22 2011-08-31 Piezoceramic bending transducer
EP11760426A EP2564437A1 (en) 2010-09-22 2011-08-31 Piezoceramic bending transducer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102010041200A DE102010041200A1 (en) 2010-09-22 2010-09-22 Piezoceramic bending transducer

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102010041200A1 true DE102010041200A1 (en) 2012-03-22

Family

ID=44674765

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102010041200A Withdrawn DE102010041200A1 (en) 2010-09-22 2010-09-22 Piezoceramic bending transducer

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP2564437A1 (en)
DE (1) DE102010041200A1 (en)
WO (1) WO2012038223A1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130342075A1 (en) * 2011-02-11 2013-12-26 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Optimized device for converting mechanical energy into electrical energy
DE102013205626A1 (en) * 2013-03-28 2014-10-02 Siemens Aktiengesellschaft Bending transducer with piezoelectric bending element, cooling device and electronic module
US20160079885A1 (en) * 2014-09-11 2016-03-17 Electronics And Telecommunications Research Institute Energy harvesting device, method for manufacturing the same, and wireless device including the same
WO2017195014A1 (en) * 2016-03-01 2017-11-16 Vermon S.A. Piezoelectric energy harvester system with composite shim

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6048622A (en) * 1994-04-19 2000-04-11 Massachusetts Institute Of Technology Composites for structural control
US20070138608A1 (en) * 2005-12-20 2007-06-21 Kabushiki Kaisha Toshiba Device with beam structure, and semiconductor device

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19635929A1 (en) * 1995-09-29 1997-07-10 Siemens Ag Piezoelectric transducers for textile needle able to be set close
DE19920576C1 (en) * 1999-05-04 2000-06-21 Siemens Ag Piezoelectric transducer used e.g. as printing head of ink jet printers has a carrier made of a duroplast reinforced with fibers having a specified heat expansion coefficient
US7692365B2 (en) * 2005-11-23 2010-04-06 Microstrain, Inc. Slotted beam piezoelectric composite
EP1791192B1 (en) * 2005-11-25 2008-03-12 Festo Ag & Co. Piezoelectric bender transducer
EP2113953A1 (en) * 2008-04-30 2009-11-04 Silicon Sensing Systems Limited Improvements in or relating to energy conversion

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6048622A (en) * 1994-04-19 2000-04-11 Massachusetts Institute Of Technology Composites for structural control
US20070138608A1 (en) * 2005-12-20 2007-06-21 Kabushiki Kaisha Toshiba Device with beam structure, and semiconductor device

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130342075A1 (en) * 2011-02-11 2013-12-26 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Optimized device for converting mechanical energy into electrical energy
US8779651B2 (en) * 2011-02-11 2014-07-15 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Optimized device for converting mechanical energy into electrical energy
DE102013205626A1 (en) * 2013-03-28 2014-10-02 Siemens Aktiengesellschaft Bending transducer with piezoelectric bending element, cooling device and electronic module
US20160079885A1 (en) * 2014-09-11 2016-03-17 Electronics And Telecommunications Research Institute Energy harvesting device, method for manufacturing the same, and wireless device including the same
US9647579B2 (en) * 2014-09-11 2017-05-09 Electronics And Telecommunications Research Institute Energy harvesting device, method for manufacturing the same, and wireless device including the same
WO2017195014A1 (en) * 2016-03-01 2017-11-16 Vermon S.A. Piezoelectric energy harvester system with composite shim
US10097112B2 (en) 2016-03-01 2018-10-09 Vermon S.A. Piezoelectric energy harvester system with composite shim
CN108713260A (en) * 2016-03-01 2018-10-26 维蒙股份公司 Piezoelectric harvester system with Composition spacer
CN108713260B (en) * 2016-03-01 2023-03-24 卡爱达克有限公司 Piezoelectric energy harvester system with composite gasket

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012038223A1 (en) 2012-03-29
EP2564437A1 (en) 2013-03-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3510470B1 (en) Device for producing haptic feedback
DE19646511C1 (en) Piezo actuator drive or adjustment element
DE102006040316B4 (en) Piezoceramic Flächenaktuator and method for producing such
EP2361443B1 (en) Electromechanical energy converter for generating electric energy from mechanical movements
EP1228541B1 (en) Method for producing a piezoelectric transducer
DE102014100817A1 (en) converter unit
DE102010041200A1 (en) Piezoceramic bending transducer
WO2009033949A1 (en) Information processor and method for the production thereof
DE102013110356A1 (en) ultrasonic actuator
DE102004047105A1 (en) Piezo actuator with stress-relieving structures
DE19631026A1 (en) Device for deforming a support structure using electrical or magnetic effects
DE102013204101A1 (en) Energy generating device with free-running piezoelectric bending transducers
DE102004005943B4 (en) Electrical component with a piezoelectric element and an electrically conductive wire and use of the component
DE102015226233A1 (en) Bending transducer and method for its production and its operation
DE2505236A1 (en) PIEZOELECTRIC IGNITION DEVICE, IN PARTICULAR FOR GAS LIGHTERS
DE2444647C3 (en) Piezoelectric bending transducer
DE102005023370A1 (en) Piezoelectric or electrostrictive stack for fuel injector actuator with increased operating life has greater depth of roughness in roughened regions than in directly adjacent regions of stack
DE202013101614U1 (en) Holder for holding down or placing a board to be tested in a test arrangement
DE102010060736B4 (en) Method for producing a piezoactuator
DE102022116244A1 (en) Input device with improved spring elements for movable mounting of the control panel, associated spring element and assembly method
EP1794819A1 (en) Solid-state actuator, especially piezoceramic actuator
WO2006136504A1 (en) High lifting capacity piezoelectric actuator
DE102013205626A1 (en) Bending transducer with piezoelectric bending element, cooling device and electronic module
CH710245B1 (en) Arrangement for closing grooves.
WO2014049009A1 (en) Bender transducer module, cooling device and electronic module

Legal Events

Date Code Title Description
R016 Response to examination communication
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20140401