DE202009002953U1

DE202009002953U1 - Piezoelectric converter and transformer

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Publication number: DE202009002953U1
Application number: DE202009002953U
Authority: DE
Original assignee: Biotronik CRM Patent AG
Current assignee: Biotronik SE and Co KG
Priority date: 2008-05-23
Filing date: 2009-03-03
Publication date: 2009-06-04
Anticipated expiration: 2019-03-04
Also published as: DE102008024856A1

Abstract

Piezoelektrischer Wandler mit einem plättchenförmigen Keramikkörper (1, 1', 1'', 1'''), der in eine Polarisationsrichtung (5) einen piezoelektrischen Effekt aufweist, und mit Aufgrundfläche und Deckfläche des Keramikkörpers angeordneten Elektroden (2, 2', 3, 3'', 3'', 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2a', 2b', 2c', 2d', 2e', 2f), dadurch gekennzeichnet, dass der Keramikkörper (1, 1', 1'', 1''') in einem ersten Bereich und in mindestens einem zweiten Bereich in Polarisationsrichtung (5) unterschiedliche Abmessungen (d1, d2) aufweist.Piezoelectric transducer having a plate-shaped ceramic body (1, 1 ', 1' ', 1' '') which has a piezoelectric effect in a polarization direction (5), and electrodes (2, 2 ', 3') arranged with the base surface and top surface of the ceramic body , 3 '', 3 '', 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, 2a ', 2b', 2c ', 2d', 2e ', 2f), characterized in that the ceramic body (1, 1' , 1 '', 1 '' ') has different dimensions (d1, d2) in a first region and in at least one second region in the polarization direction (5).

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. Die Erfindung bezieht sich ferner auf einen piezoelektrischen Transformator.The The present invention relates to a piezoelectric transducer having a platelet-shaped ceramic body and with top and bottom surface of the ceramic body arranged electrodes, wherein the ceramic body in a polarization direction has a piezoelectric effect. The invention relates further to a piezoelectric transformer.

Piezoelektrische Wandler (Piezoelemente) bestehen häufig aus Keramiken (z. B. Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) oder Blei-Magnesium-Niobat (PMN)). Diese keramischen Wandler haben einen höheren Wirkungsgrad als Piezoelektrische Wandler mit Piezokristallen oder Kunststoffen. Bei polykristallinen keramischen Piezoelementen sind die internen Dipole nach dem Sinterprozess ungeordnet, weshalb sich zunächst keine piezoelektrischen Eigenschaften zeigen. 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. Die eingeprägte Orientierung bleibt nach der Wärmebehandlung erhalten und wird als Polarisationsrichtung bezeichnet.piezoelectric Transducers (piezoelectric elements) often consist of ceramics (eg lead zirconate titanate (PZT) or lead magnesium niobate (PMN)). These ceramic transducers have a higher one Efficiency as Piezoelectric transducer with piezo crystals or Plastics. In polycrystalline ceramic piezo elements are the internal dipoles after the sintering process disordered, which is why first show no piezoelectric properties. A measurable piezoelectric Property leaves only through an external electrical Imprint constant field, while the material is heated to just below the Curie temperature and is cooled again. The embossed Orientation remains after the heat treatment and is referred to as polarization direction.

Keramische Piezoelektrische Wandler bestehen in der Regel aus einem plättchenförmigen Keramikkörper, dessen Polarisationsrichtung in Richtung der Dicke des Keramikplättchens, d. h. im Wesentlichen senkrecht oder unter kleinem Winkel zu Grund- und Deckfläche des Keramikplättchens, verläuft. 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. Die Elektroden dienen dazu, eine elektrische Spannung aufzubringen oder abzunehmen.ceramic Piezoelectric transducers are usually made of a plate-shaped ceramic body whose Polarization direction in the direction of the thickness of the ceramic plate, d. H. essentially perpendicular or at a small angle to ground and cover surface of the ceramic tile, runs. On the boundary surfaces the ceramic body, the base or top surface of the plate-shaped ceramic body and usually in their area the largest boundary surfaces of the ceramic body represent, electrodes are arranged. The electrodes serve apply or remove an electrical voltage.

Derartige Wandler sind bisher als zylinderförmige oder quaderförmige Plättchen ausgeführt, welche eine konstante Dicke aufweisen. Die Dicke der Plättchen und die Materialeigenschaften der Keramik bestimmen die Resonanzfrequenz des Wandlers. Aufgrund der hohen Güte der Keramik können solche Wandler nur für schmalbandige oder monofrequente Anwendungen eingesetzt werden.such Converters have hitherto been designed as cylindrical or cuboidal platelets, which have a constant thickness. The thickness of the platelets and the material properties the ceramic determine the resonant frequency of the transducer. by virtue of high quality the ceramic can such transducers only for narrowband or monofrequente applications are used.

Es ist wünschenswert, breitbandige Erregungen zu realisieren, die mittels lediglich eines einzigen Wandlers erzeugt werden sollen. Dies ist bei den herkömmlichen Wandlern insbesondere bei der Erzeugung von mechanischen Schwingungen durch elektrische Wechselspannung schwierig.It is desirable to realize broadband excitations, by means of only one single converter to be generated. This is the conventional one Converters especially in the generation of mechanical vibrations difficult by electrical AC 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. Entsprechend besteht die Aufgabe ferner darin, einen entsprechenden piezoelektrischen Transformator zu schaffen.The Object of the present invention is therefore a piezoelectric To create transducers, even when using ceramics higher Goodness one broadband conversion possible. Corresponding the object further consists in a corresponding piezoelectric To create a 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 task is solved by a piezoelectric transducer whose ceramic body in one first region and in at least a second region in the polarization direction has different dimensions.

Durch die erfindungsgemäße Lösung entsteht ein piezoelektrischer Wandler, bei dem Grund- und Deckfläche nicht, wie sonst üblich, parallel verlaufen. Bei unterschiedlichen Abmessungen in einem ersten Bereich und in mindestens einem zweiten Bereich in Polarisationsrichtung, d. h. 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. Durch eine elektrische Parallelschaltung dieser Bereiche kann in der Summe ein breitbandiger Wandler realisiert werden. 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. 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.By the solution according to the invention arises a piezoelectric transducer, in the base and top surface not, as usual run parallel. With different dimensions in a first Area and in at least a second area in the polarization direction, d. H. at different thicknesses of the ceramic body in the first and in the at least one second area results in that the transducer in each of these areas, which have different thicknesses, has a different resonant frequency. By an electrical parallel connection These areas can be realized in the sum of a broadband converter become. The piezoelectric transducer can accordingly - depending on Use - for Generation of broadband mechanical vibrations (inverse piezoelectric effect) or for generating broadband electrical Signals (the piezoelectric effect) are used. Because due the different dimensions of the ceramic body in the polarization direction the resonance frequency of the mechanical vibration or the electrical Alternating field location-dependent is, lets these are targeted to stimulate in a particular area of the converter.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Keramikkörper keilförmig oder stufenförmig ausgebildet. Bei einer Keilform, bei der Grund- und Deckfläche des Keramikkörpers schräg, d. h. unter einem Winkel, zueinander verlaufen, weist jeder Bereich eines derartigen Keramikkörpers eine unterschiedliche Dicke auf. 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. Auf jeder Stufe hat der piezoelektrische Wandler dann in Polarisationsrichtung eine unterschiedliche Abmessung.In a preferred embodiment the ceramic body cuneiform or stepped. In a wedge shape, obliquely at the base and top surface of the ceramic body, d. H. at an angle to each other, each area of such ceramic body a different thickness. In a stepped training of the ceramic body run base and top surface such that either only the base area or only the top surface is step-shaped is or both surfaces have a step shape. At each stage has the piezoelectric Transducer then in the polarization direction a different dimension.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Keramikkörper über mindestens eine der Elektroden mit einem Substrat verbunden. Der Keramikkörper mit Elektroden ist daher auf dem Substrat angeordnet. Hierdurch erhält der piezoelektrische Wandler eine höhere mechanische Stabilität. Er kann eine mechanische Schwingung auf das Substrat oder ein umgebendes Medium (Schallleiter) übertragen.In a preferred embodiment, the ceramic body is connected to a substrate via at least one of the electrodes. The ceramic body with electrodes is therefore arranged on the substrate. This gives the piezoelectric transducer a higher mechanical stability. He can do a mechanical vibration on the substrate or transmit a surrounding medium (sound conductor).

Es ist ebenfalls bevorzugt, dass das Substrat als Kreisringsegment oder Hohlkugelabschnitt ausgebildet ist. Hierdurch lässt sich sehr einfach realisieren, dass mindestens zwei Bereiche des auf dem Substrat angeordneten Keramikkörpers in Polarisationsrichtung unterschiedliche Abmessungen aufweisen.It is also preferred that the substrate as a circular segment or hollow ball portion is formed. This is possible very easily realize that at least two areas of the the ceramic body arranged in the polarization direction of the substrate have different dimensions.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist auf der Grund- und/oder Deckfläche des Keramikkörpers eine Vielzahl von Elektroden angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass verschiedene Bereiche der Metallisierung nicht zwingend elektrisch parallel geschaltet sind. Da jedem Bereich eine Frequenz zugeordnet ist, können durch die Vielzahl von Elektroden verschiedenen Frequenzen verschiedenen elektrischen Schaltungen zugeordnet werden. 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. Bei der inversen Nutzung (als Empfänger) können verschiedene Frequenzen oder Frequenzbereiche einer anderen Schaltung oder Teilschaltung zugeordnet werden. So ist es z. B. möglich, die verschiedenen Frequenzanteile eines ankommenden Signals auf verschiedene Leitungen zu verteilen. 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. Ein Signal kann so auf ausgewählte Frequenzen hin untersucht werden, ohne dass aufwendige Berechnungen erforderlich sind. 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. 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. So können verschiedene Frequenzen oder Frequenzbereiche zusammengefasst werden, je nachdem, ob der Wandler seine Abmessung stufenförmig oder kontinuierlich ändert. 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. B. von der angeschlossenen Elektronik.In a preferred embodiment on the ground and / or top surface of the ceramic body arranged a plurality of electrodes. This has the advantage that different areas of the metallization not necessarily electric are connected in parallel. Because every area has a frequency assigned to it is, can due to the variety of electrodes different frequencies different be associated with electrical circuits. This can be during the activation Of broadband ceramics be advantageous because different signal sources for the Generation of different frequency ranges can be used without that the outputs the sources must be mixed electrically. In the case of inverse use (as receiver) can different frequencies or frequency ranges of another circuit or subcircuit can be assigned. So it is z. B. possible, the different frequency components of an incoming signal to different Distribute cables. Depending on the number of electrodes, the signal be divided in this way into very many individual frequencies and thus a spectral representation of the signal are generated. One Signal can be so on selected Frequencies are examined out without making elaborate calculations required are. The division into several areas also has the Advantage that the transducer used at the same time as a transmitter and receiver can be without a galvanic connection between the Transmitter and the receiver consists. In this case, it is particularly preferred if at least two the plurality of electrodes on the base surface or the top surface of the ceramic body are arranged, connected to each other. So can different Frequencies or frequency ranges are summarized, depending on whether the converter changes its dimension stepwise or continuously. If the construction of the ceramic does not allow different areas same frequencies directly on the ceramic, so can Areas of same frequency connected at another point be, for. B. from 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. Solche Formen sind z. B. ebene Zylinderschnitte, Kegel, Paraboloide, Ellipsoide, prismatische Formen und viele weitere Formen mit einfach oder zweifach gekrümmten Begrenzungsflächen. 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. 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).Preferably has at least one of the base or top surface of the ceramic body a symmetrical (Space) shape, preferably a mirror symmetry and / or a point symmetry and / or a rotational symmetry. Such forms are z. B. plane cylinder cuts, Cones, paraboloids, ellipsoids, prismatic forms and many more Shapes with single or double curved boundary surfaces. advantage Often these forms is that areas of the same resonant frequency are often directly on the ceramic can be connected together and that different Frequency ranges of the same frequency width different surface proportions of the Fill in ceramics. So can a cone-shaped transducer compared to the parabolic converter at the same bandwidth the radiate low frequencies with larger area (if both forms are convex).

Ein besonders hoher Wirkungsgrad des piezoelektrischen Wandlers wird dadurch erreicht, dass der Keramikkörper aus einem Keramikmaterial hoher Güte besteht. Bevorzugt sollte die Güte des Keramikmaterials mindestens 40 betragen.One particularly high efficiency of the piezoelectric transducer is achieved in that the ceramic body of a ceramic material high quality consists. The quality should be preferred of the ceramic material is at least 40.

Die obige Aufgabe wird ferner gelöst durch einen piezoelektrischen Transformator mit einem ersten und mindestens einem zweiten oben beschriebenen piezoelektrischen Wandler. Auch ein solcher piezoelektrischer Transformator ist geeignet für die Transformation elektrischer Signale, die breitbandig sind. Zudem können ortsabhängige elektrische Signale erzeugt werden, wobei die Position der Erregung durch die Frequenz der elektrischen Erregung gesteuert werden kann. 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.The The above object is further solved by a piezoelectric transformer having a first and at least one second piezoelectric transducer described above. Such a piezoelectric transformer is also suitable for the transformation electrical signals that are broadband. In addition, location-dependent electrical Signals are generated, the position of the excitation by the Frequency of electrical excitation can be controlled. To this Way can by means of the broadband transformer, a frequency analyzer be realized: At the primary side Any signal will be fed in and will be on the secondary side the individual frequency components of the signal are tapped 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. 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.Around To achieve a good mechanical coupling of both converters is a structure advantageous in which the inventive piezoelectric Transformer next to the first piezoelectric transducer exactly one second piezoelectric transducer, wherein the first and the second piezoelectric transducer constructed identical and mirror inverted are arranged. Here are the areas with the same dimension of the respective ceramic body in polarization direction in mechanical contact with each other, so that the points of equal resonance frequency direct mechanical To have 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. Hierdurch wird eine Materialeinsparung in Bezug auf das Elektrodenmaterial erreicht und die Herstellung des piezoelektrischen Transformators vereinfacht.In a preferred embodiment the first and the at least one second piezoelectric transducer at least one common, on opposite boundary surfaces of respective ceramic body arranged electrode on. This will save material achieved with respect to the electrode material and the manufacture of the piezoelectric transformer simplified.

Alternativ kann zwischen dem ersten und dem mindestens einen zweiten Wandler ein Substrat angeordnet sein. Hierdurch wird die mechanische Stabilität des Transformators erhöht.alternative may be between the first and the at least one second converter a substrate may be arranged. This will increase the mechanical stability of the transformer elevated.

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. Insbesondere bei Keramiken mit kontinuierlich veränderlicher Dicke können so die Frequenzbereiche gemischt werden. 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.In a further embodiment can be the boundary between two adjacent electrodes on one piezoelectric transducer is not straight, so for example wavy, and overlapping in polarization direction accomplished be. Especially with ceramics with continuously variable Thickness can so the frequency ranges are mixed. This can be done both at the Function as transmitter as well as receiver to be advantageous, since the Assignment of individual electrodes and associated frequency ranges to specific ones electrical circuits overlapping can be done.

Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen eines erfindungsgemäßen Wandlers bzw. erfindungsgemäßer Transformatoren. 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.Further Objectives, features, advantages and applications of the invention result from the following description of embodiments of a converter according to the invention or inventive transformers. In this case, all described and / or illustrated Features for itself or in any combination the subject matter of the present Invention, also independent from their summary in the individual claims or their dependency.

Es zeigen schematisch:It show schematically:

1 bis 6 sechs verschiedene Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer piezoelektrischer Wandler im Querschnitt, 1 to 6 six different embodiments of inventive piezoelectric transducer in cross section,

7 einen Querschnitt des ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers mit Teilen der Ansteuerungsschaltung, 7 a cross section of the first embodiment of a piezoelectric transducer according to the invention with parts of the driving circuit,

8 eine weitere Darstellung des Querschnitts des ersten Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Wandlers mit einem Teil der Ansteuerungsschaltung, 8th a further representation of the cross section of the first embodiment of a piezoelectric transducer with a part of the drive circuit,

9 und 10 zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Transformators im Querschnitt sowie 9 and 10 two embodiments of a piezoelectric transformer according to the invention in cross section and

11 eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform eines piezoelektrischen Wandlers mit mehreren Elektroden, welche überlappende Begrenzungen besitzen. 11 a plan view of another embodiment of a piezoelectric transducer having a plurality of electrodes having overlapping boundaries.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers mit einem keilförmigen Keramikkörper 1, dessen Deckfläche mit einer ersten Elektrode 2 und dessen Grundfläche mit einer zweiten Elektrode 3 versehen ist, welche als elektrischer Kontakt dienen. Da die Elektroden 2, 3 in der Regel aus einem Metall bestehen, werden diese auch als Metallisierung bezeichnet. Zwischen den Elektroden 2, 3 erzeugt eine anliegende Wechselspannung ein elektrisches Wechselfeld, das in dem Keramikkörper 1 eine mechanische Dehnung hervorruft. Diese wird als mechanische Schwingung an das mit Elektrode 3 verbundene Substrat 10 (z. B. ein Prüfkörper, Schallübertrager usw.) weitergegeben. 1 shows a first embodiment of a piezoelectric transducer according to the invention with a wedge-shaped ceramic body 1 whose top surface is connected to a first electrode 2 and its base with a second electrode 3 is provided, which serve as electrical contact. Because the electrodes 2 . 3 usually made of a metal, these are also referred to as metallization. Between the electrodes 2 . 3 An applied alternating voltage generates an alternating electric field that is in the ceramic body 1 causes a mechanical strain. This is called a mechanical vibration to that with electrode 3 connected substrate 10 (eg a test specimen, sound transmitter, etc.).

Bei dem in 1 dargestellten erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandler verlaufen die Begrenzungsflächen Grundfläche und Deckfläche des plättchenförmigen Keramikkörpers 1 nicht parallel zueinander. Die Polarisationsrichtung 5 des Keramikkörpers 1 verläuft annähernd senkrecht zur Oberfläche des Substrats 10 (Unterlage) bzw. in Richtung der Dicke des Keramikkörpers. Die Polarisationsrichtung verläuft ferner senkrecht zur Grund fläche des Keramikkörpers 1. Aufgrund der keilförmigen Gestaltung des Keramikkörpers 1 mit einer schräg, in einem spitzen Winkel zur Grundfläche und eben verlaufenden Deckfläche weist der Keramikkörper entlang seiner Breite 6 (Breite 6 steht senkrecht auf Polarisationsrichtung 5) in jedem seiner Bereiche eine unterschiedliche Dicke auf. Beispielsweise hat der Keramikkörper 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.At the in 1 shown inventive piezoelectric transducer extend the boundary surfaces base surface and top surface of the plate-shaped ceramic body 1 not parallel to each other. The polarization direction 5 of the ceramic body 1 runs approximately perpendicular to the surface of the substrate 10 (Base) or in the direction of the thickness of the ceramic body. The polarization direction also extends perpendicular to the base surface of the ceramic body 1 , Due to the wedge-shaped design of the ceramic body 1 with an oblique, at an acute angle to the base and planar top surface facing the ceramic body along its width 6 (Width 6 is perpendicular to polarization direction 5 ) in each of its areas a different thickness. For example, the ceramic body 1 a thickness d1 in a first region and a thickness d2 in a second region, where d1> d2, so that different resonance frequencies are formed in these regions.

In einem weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Deckfläche des Keramikkörpers, auf der die Elektrode 2 angeordnet ist, auch uneben ausgebildet sein.In a further, not shown embodiment, the top surface of the ceramic body, on which the electrode 2 is arranged, also be uneven.

Das in 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers weist einen Keramikkörper 1' auf, bei dem die Deckfläche und entsprechend die erste Elektrode 2' einen Ausschnitt aus einer Kugelfläche oder einer Zylindermantelfläche bildet. Die Grundfläche ist als ebene Fläche ausgebildet. Auch hierdurch lassen sich Bereiche des Keramikkörpers 1' ausbilden, die in Polarisationsrichtung 5 unterschiedliche Abmessungen aufweisen.This in 2 illustrated second embodiment of a piezoelectric transducer according to the invention comprises a ceramic body 1' on, in which the top surface and accordingly the first electrode 2 ' forms a section of a spherical surface or a cylinder jacket surface. The base is designed as a flat surface. This also allows areas of the ceramic body 1' train in the direction of polarization 5 have different dimensions.

Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel hat das Substrat 10'' die Form eines Segments eines Kreisrings oder einer Hohlkugel. Hierdurch erhält die auf diesem Substrat angeordnete zweite Elektrode 3'' sowie die daran angrenzende Grundfläche des Keramikkörpers 1'' die Form eines Segments einer Zylindermantelfläche bzw. eines Teils einer Kugelfläche. Die Deckfläche des Keramikkörpers 1'' ist als ebene Fläche ausgebildet. Hierdurch ist es ebenfalls möglich, verschiedene Bereiche des Keramikkörpers mit unterschiedlichen Abmessungen in Polarisationsrichtung 5 auszubilden.At the in 3 illustrated embodiment has the substrate 10 '' the shape of a segment of a circular ring or a hollow sphere. This gives the arranged on this substrate second electrode 3 '' and the adjoining base of the ceramic body 1'' the shape of a segment of a cylindrical surface or part of a spherical surface. The top surface of the ceramic body 1'' is designed as a flat surface. As a result, it is also possible to different areas of the ceramic body with different dimensions in the polarization direction 5 train.

Die in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele weisen Begrenzungsflächen auf, die symmetrisch ausgebildet sind. 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).The in the 2 and 3 illustrated embodiments have boundary surfaces which are formed symmetrically. Both the base and the top surface show at least one mirror symmetry (in the case of the third embodiment of the piezoelectric transducer according to the invention only for the substrate shape of a circular ring).

Das in 4 dargestellte Ausführungsbeispiel weist einen Keramikkörper 1 auf, welcher die gleiche Form wie der Keramikkörper 1 des in 1 dargestellten ersten Ausführungsbeispiels besitzt. Auf der Deckfläche des Keramikkörpers 1 ist die Metallisierung jedoch nicht vollflächig ausgebildet, sondern weist Unterbrechungen auf, so dass eine Vielzahl von Elektroden 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f usw. erzeugt werden.This in 4 illustrated embodiment has a ceramic body 1 on which the same shape as the ceramic body 1 of in 1 has shown first embodiment. On the top surface of the ceramic body 1 However, the metallization is not formed over the entire surface, but has interruptions, so that a plurality of electrodes 2a . 2 B . 2c . 2d . 2e . 2f etc. are generated.

In 5 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers dargestellt, bei dem die Deckfläche des Keramikkörpers 1''' nicht, wie in 1 bzw. 4 dargestellt, eben ausgebildet ist, sondern Stufen aufweist. Auf jeder der senkrecht zur Polarisationsrichtung 5 verlaufenden Stufen ist jeweils eine Elektrode 2a''', 2b''', 2c''', 2d''', 2e''', 2f''' usw. angeordnet.In 5 a fifth embodiment of a piezoelectric transducer according to the invention is shown, in which the top surface of the ceramic body 1''' not like in 1 respectively. 4 shown, is flat, but has stages. On each of the perpendicular to the polarization direction 5 extending stages is each an electrode 2a ''' . 2 B''' . 2c ''' . 2d ''' . 2e ''' . 2f ''' etc. arranged.

Bei dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel, das in Bezug auf den Keramikkörper 1, die Elektroden 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f und 3 sowie auf das Substrat 10 dem Ausführungsbeispiel in 4 entspricht, sind die Elektroden auf der Deckfläche mindestens teilweise miteinander verbunden. Beispielsweise weisen die Elektroden 2a und 2b, 2b und 2c usw. jeweils eine, die jeweiligen Elektroden miteinander verbindende, elektrisch leitende Verbindung 7 auf.At the in 6 illustrated embodiment, with respect to the ceramic body 1 , the electrodes 2a . 2 B . 2c . 2d . 2e . 2f and 3 as well as on the substrate 10 the embodiment in 4 corresponds, the electrodes on the top surface are at least partially interconnected. For example, the electrodes have 2a and 2 B . 2 B and 2c etc. each one, the respective electrodes interconnecting, electrically conductive connection 7 on.

In 7 ist noch einmal das bereits anhand von 1 erläuterte erste Ausführungsbeispiel eines piezoelektrischen Wandlers dargestellt. Der Wandler wird mit einer Wechselspannung verschiedener Frequenzen f1 und f2 (sowie ggf. weiteren Frequenzen) versorgt. Diese werden von Frequenzgeneratoren 20, 21 erzeugt und von einem Mischer 22 gemischt. Über die Elektroden 2, 3 wird im Keramikkörper 10 ein elektrisches Wechselfeld mit beiden Frequenzen f1 und f2 erzeugt. Der Keramikkörper 1 besitzt an verschiedenen Stellen für die beiden Frequenzen f1 und f2 Resonanzbereiche 30, 31. Nur dort ist die Amplitude der jeweiligen mechanischen Schwingung in Polarisationsrichtung 5 sehr groß. Eine Variation der Frequenzen f1, f2 verändert den Ort 30, 31 der Stellen hoher mechanischer Schwingung. Dies wird noch einmal in 8 verdeutlicht. 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) 30. Diese Lage wird senkrecht zur Polarisationsrichtung 5 in Richtung der Breite 6 (oder der in 7 nicht sichtbaren Länge) des Wandlers verschoben.In 7 is that again on the basis of 1 illustrated first embodiment of a piezoelectric transducer shown. The converter is supplied with an alternating voltage of different frequencies f1 and f2 (and possibly other frequencies). These are from frequency generators 20 . 21 generated and from a mixer 22 mixed. About the electrodes 2 . 3 becomes in the ceramic body 10 generates an alternating electric field with both frequencies f1 and f2. The ceramic body 1 has resonance areas at different locations for the two frequencies f1 and f2 30 . 31 , Only there is the amplitude of the respective mechanical oscillation in the polarization direction 5 very large. A variation of the frequencies f1, f2 changes the location 30 . 31 the places of high mechanical vibration. This will be in again 8th clarified. A variation of the frequency f1 (plotted on the x-axis of the illustrated diagram labeled "freq.") Changes the location of the high-amplitude vibration location (plotted on the y-axis as "ampl."). 30 , This position becomes perpendicular to the polarization direction 5 in the direction of the width 6 (or the in 7 invisible length) of the transducer.

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. Damit die maximal zulässige Feldstärke in der Kera mik nicht überschritten wird, können an den verschiedenen Elektroden verschiedene Spannungen zur Polarisation angelegt werden. Alternativ kann auch ein polarisierter Keramikkörper in die richtige Form gebracht werden (z. B. durch mechanische Bearbeitung) und anschließend mit Elektroden versehen werden.Regarding the production of a piezoelectric transducer according to the invention It is advantageous that the polarization of the ceramic can be finished Component can be done with the attached electrodes. In order to the maximum allowable field strength not exceeded in the karma will, can at the different electrodes different voltages for polarization be created. Alternatively, a polarized ceramic body in the right shape is brought (eg by mechanical processing) and subsequently be provided with electrodes.

In 9 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Transformators 40 dargestellt, welcher sich aus zwei keilförmigen Keramikkörpern 1a und 1b zusammensetzt. Die Keramikkörper 1a und 1b sind hierbei so angeordnet, dass sie spiegelsymmetrisch zueinander verlaufen. Jeder dieser Keramikkörper 1a, 1b hat die gleiche Form wie der in 1 dargestellte Keramikkörper 1. Auf der Deckfläche des ersten Keramikkörpers 1a ist eine erste Elektrode 2 und auf der Grundfläche des zweiten Keramikkörpers 1b eine zweite Elektrode 4 angeordnet. Es ist ferner eine gemeinsame Elektrode 3'''' vorgesehen, die auf der Grundfläche des ersten Keramikkörpers 1a bzw. der Deckfläche des zweiten Keramikkörpers 1b angeordnet ist und gleichzeitig einen mechanischen Kontakt zwischen den beiden Keramikkörpern 1a und 1b herstellt. Die Keramikkörper 1a und 1b sind durch die Elektrode 3'''' miteinander verbunden. Durch die in 9 dargestellte Anordnung der Keramikkörper 1a und 1b ist sichergestellt, dass die Orte mit gleicher Resonanzfrequenz in Polarisationsrichtung 6 übereinander liegen.In 9 is a first embodiment of a piezoelectric transformer according to the invention 40 represented, which consists of two wedge-shaped ceramic bodies 1a and 1b composed. The ceramic body 1a and 1b are arranged so that they are mirror-symmetrical to each other. Each of these ceramic bodies 1a . 1b has the same shape as the one in 1 shown ceramic body 1 , On the top surface of the first ceramic body 1a is a first electrode 2 and on the base of the second ceramic body 1b a second electrode 4 arranged. It is also a common electrode 3 '''' provided on the base of the first ceramic body 1a or the top surface of the second ceramic body 1b is arranged and at the same time a mechanical contact between the two ceramic bodies 1a and 1b manufactures. The ceramic body 1a and 1b are through the electrode 3 '''' connected with each other. By the in 9 illustrated arrangement of the ceramic body 1a and 1b ensures that the locations with the same resonant frequency in the polarization direction 6 lie one above the other.

Alternativ können die Keramikkörper 1a und 1b auch, wie bei dem Transformator 40' in 10 dargestellt, mittels eines Substrats 11 mechanisch miteinander verbunden werden. Hierbei weist der erste Keramikkörper 1a auf seiner Grundfläche eine Elektrode 3a und der zweite Keramikkörper 1b auf seiner Deckfläche eine Elektrode 3b auf, welche jeweils an das Substrat 11 angrenzen. Das Substrat kann Teil eines Behälters, Raumes oder Gehäuses sein, durch dessen Wand hindurch ein breitbandiges Signal übertragen wird. Insbesondere kann dies ein hermetisch abgedichteter Behälter sein.Alternatively, the ceramic body 1a and 1b also, as with the transformer 40 ' in 10 represented by means of a substrate 11 be mechanically interconnected. Here, the first ceramic body 1a on its base an electrode 3a and the second ceramic body 1b on its top surface an electrode 3b on which each to the substrate 11 adjoin. The substrate may be part of a container, space or housing, through the wall of which a broadband signal is transmitted. In particular, this may be a hermetically sealed container.

Abschließend zeigt 11 die Draufsicht einer beispielhaften Ausführungsform eines piezoelektrischen Wandlers mit mehreren Elektroden 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, deren Flächen sich seitlich in einer Wellenform überlappen. Hierdurch überlappen auch die zu den Elektroden zugehörigen Frequenzbereiche, so dass diese gemischt werden können.Finally shows 11 the top view of an exemplary embodiment of a piezoelectric transducer with a plurality of electrodes 2a . 2 B . 2c . 2d . 2e . 2f whose surfaces overlap laterally in a waveform. This also overlaps the frequency ranges associated with the electrodes so that they can be mixed.

1, 1', 1'', 1''', 1a, 1b1, 1 ', 1' ', 1' '', 1a, 1b: Keramikkörperceramic body
2, 2'2, 2 ': erste Elektrodefirst electrode
2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f: Vielzahl von ersten Elektrodenmultitude of first electrodes
2a', 2b', 2c', 2d', 2e', 2f'2a ', 2b', 2c ', 2d', 2e ', 2f': weitere Vielzahl von ersten ElektrodenFurther Variety of first electrodes
3, 3'', 3'''', 3a, 3b3, 3 '', 3 '' '', 3a, 3b: zweite Elektrodesecond electrode
44: weitere ElektrodeFurther electrode
55: Polarisationsrichtungpolarization direction
66: Breitenrichtungwidth direction
77: elektrisch leitende Verbindungelectrical conductive connection
10, 10'', 1110 10 '', 11: Substratsubstratum
20, 2120 21: Frequenzgeneratorfrequency generator
2222: Frequenzmischerfrequency mixer
30, 3130 31: Resonanzbereichresonance range
40, 40'40 40 ': piezoelektrischer Transformatorpiezoelectric transformer
d1d1: Dicke des Keramikkörpers 1 in einem ersten BereichThickness of the ceramic body 1 in a first area
d2d2: Dicke des Keramikkörpers 1 in einem zweiten BereichThickness of the ceramic body 1 in a second area

Claims

Piezoelectric transducer with a plate-shaped ceramic body ( 1 . 1' . 1'' . 1''' ), which is in a polarization direction ( 5 ) has a piezoelectric effect, and arranged with the base surface and top surface of the ceramic body electrodes ( 2 . 2 ' . 3 . 3 '' . 3 '' . 2a . 2 B . 2c . 2d . 2e . 2f . 2a ' . 2 B' . 2c ' . 2d ' . 2e ' . 2f ), characterized in that the ceramic body ( 1 . 1' . 1'' . 1''' ) in a first region and in at least one second region in the polarization direction ( 5 ) has different dimensions (d1, d2).

Piezoelectric transducer according to claim 1, characterized in that the ceramic body ( 1 . 1''' ) is wedge-shaped or stepped.

Piezoelectric transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic body ( 1 . 1' . 1'' . 1''' ) via at least one of the electrodes ( 3 . 3 '' . 3 ''' ) with a substrate ( 10 . 10 '' ) connected is.

Piezoelectric transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate ( 10 '' ) is formed as a circular ring segment or hollow sphere section.

Piezoelectric transducer according to one of the preceding claims, characterized in that on the base and / or top surface of the ceramic body ( 1 . 1''' ) a plurality of electrodes ( 2a . 2 B . 2c . 2d . 2e . 2f . 2a ' . 2 B' . 2c ' . 2d ' . 2e ' . 2f ' ) is arranged.

Piezoelectric transducer according to claim 5, characterized in that at least two of the plurality of electrodes ( 2a ' . 2 B' . 2c ' . 2d ' . 2e ' . 2f ), which on the base surface or the top surface of the ceramic body ( 1 . 1''' ) are connected to each other.

Piezoelectric transducer according to one of the preceding Claims, characterized in that at least one of the boundary surfaces and top surface a symmetrical shape, preferably a mirror symmetry and / or a point symmetry and / or a rotational symmetry possesses.

Piezoelectric transducer according to one of the preceding claims, characterized in that the ceramic body ( 1 . 1' . 1'' . 1'' ') consists of a ceramic material of high quality.

Piezoelectric transformer ( 40 . 40 ' ) with a first and at least one second piezoelectric transducer according to one of the preceding claims.

Piezoelectric transformer ( 40 . 40 ' ) according to claim 9, characterized in that it comprises in addition to the first piezoelectric transducer exactly a second piezoelectric transducer, wherein the first and the second piezoelectric transducer constructed identical and arranged mirror-inverted, wherein the regions with the same dimension of the respective ceramic body ( 1a . 1b ) in polarization direction ( 5 ) are in mechanical contact with each other.

Piezoelectric transformer ( 40 . 40 ' ) according to any one of claims 9 to 10, characterized in that the first and the at least one two piezoelectric transducers at least one common, on opposite boundary surfaces of the respective ceramic body ( 1a . 1b ) arranged electrode ( 3 '''' ) exhibit.

Piezoelectric transformer ( 40 . 40 ' ) according to any one of claims 9 to 10, characterized in that between the first and the at least one second transducer, a substrate ( 11 ) is arranged.