DE2445062A1

DE2445062A1 - Piezo electric transducer with triangular transverse ridges - has support sheet that carries metallised piezo ceramic on face opposite to ridges

Info

Publication number: DE2445062A1
Application number: DE19742445062
Authority: DE
Inventors: Max Dr Rer Nat Guntersdorfer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-09-20
Filing date: 1974-09-20
Publication date: 1976-04-01
Also published as: DE2445062B2

Abstract

The piezoelectric transducer consists of a piezoelectric ceramic wafer (1) which is mounted on a support sheet (2) and which is metallised (20, 21) on both sides. The support sheet has transverse parallel ridges across its longest axis, at right angles to its plane and spaced regularly along it. The transverse ridges each have the shape of a triangle with its longest side forming the base and fixed to the support sheet. (The ridges are on one side of the support sheet, and the piezoelectric ceramic wafer is attached to the other side of the sheet). The transducer is highly efficient and produces relatively large forces.

Description

Piezoelektrischer Biegewandler Die Erfindung betrifft einen ;piezoelektrischen Biegewandler, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben ist Solch ein Biegewandler ist beis-pielsweise aus der DT-OS 2 210 695, in der ein Relais beschrieben wird, bekannt. Das aktive Element ist eine piezokeramische Lamelle, auf die das erste Element, ein Trägerblech, auflaminiert ist. Die elektrostriktiv erzeugte Längenänderung der piezokeramischen Lamelle bewirkt dann eine Verbiegung des Biegewandlers. Ein derartiger Biegewandler kann an einem Ende in einer Halterung einges-pannt werilen, das andere Ende ist frei beweglich. Ein solcher Biegewandler kann beis-ielsweise als Motor für ein Elektrogerät verwendet werden. Diese Biegewandler sind jedoch in ihrem Wirkungsgrad beschränkt, insbesondere sind die in Auslenkrichtung erzeugbaron Kräfte begrenzt.Piezoelectric bending transducer The invention relates to a piezoelectric Bending transducer, as described in the preamble of claim 1 Such a bending transducer is, for example, from DT-OS 2 210 695, in which a relay is known. The active element is a piezoceramic lamella, on which the first element, a carrier plate, is laminated. The electrostrictive The resulting change in length of the piezoceramic lamella then causes it to bend of the bending transducer. Such a bending transducer can be in a holder at one end clamped in werilen, the other end can be moved freely. Such a bending transducer can be used, for example, as a motor for an electrical device. These bending transducers are however limited in their efficiency, in particular those in the direction of deflection Generable forces are limited.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Biegewandler mit hohem Wirkungsgrad und großer Krafterzeugung anzugeben. Diese Aufgabe wird durch einen wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Biegewandler gelöst, der entsprechend dem Innzeichen dieses Anspruches erfindungsgemäß ausgebildet ist.The object of the invention is to provide a bending transducer with a high degree of efficiency and large force generation. This task is carried out by one as in the generic term of claim 1 specified bending transducer solved, according to the Innzeichen this claim is designed according to the invention.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren erläutert.In the following, embodiments of the invention are based on the Figures explained.

Figur 1 zeigt ein Längsschnitt des Biegewandlers.Figure 1 shows a longitudinal section of the bending transducer.

Figur 2 zeigt eine Draufsicht des Biegewandlers.Figure 2 shows a plan view of the bending transducer.

Figur 3 zeigt einen Querschnitt des Biegewandlers entlang der Schnittlinie III-III in der Figur 2.Figure 3 shows a cross section of the bending transducer along the cutting line III-III in Figure 2.

Gemäß Figur 1 ist auf ein Trägerblech 1 eine piezokeramische Lamelle 2 auflaminiert. Diese besitzt die Metallisierungen 20, 21 zum Anlegen einer Spannung, so daß auf die piezokeramische Lamelle ein elektrisches Feld angelegt werden kann.According to Figure 1, a piezoceramic is on a carrier plate 1 Lamella 2 laminated on. This has the metallizations 20, 21 for applying a voltage, so that an electric field can be applied to the piezoceramic lamella.

Eine der Metallisierungen kann auch durch das Trägerblech gebildet werden. Auf der von der piezokeramischen Lamelle abge-Wand ton Seite des Trägerbleches sind Stegbleche 30 angebracht. Diese verlaufen, wie aus der Figur 2 zu entnehmen ist, senkrecht zur Längsachse des Trägerbleches, d.h. parallel zur vorgesehenen Biegeachse des Biegewandlers. Gemäß Figur 3 können diese Stegbleche beispielsweise eine dreieckige Form haben.One of the metallizations can also be formed by the carrier sheet will. On the side of the carrier plate facing away from the piezoceramic lamella web plates 30 are attached. These run, as can be seen from FIG is perpendicular to the longitudinal axis of the carrier plate, i.e. parallel to the intended Bending axis of the bending transducer. According to Figure 3, these web plates can, for example have a triangular shape.

Sie können an das Trägerblech angelötet sein. Der Biegewandler kann an einem Ende in eine Halterung 100 eingespannt sein.They can be soldered to the carrier plate. The bending transducer can be clamped at one end in a holder 100.

Diese Stegbleche wirken in der folgenden Diese: Bei einem Biegewandler ohne derartige Stegbleche kann im Betrieb eine unerwünschte Verwölbung quer zur Biegerichtung, d.h. quer zur Biegung um die vorgesehene Biegeachse, auftreten. Eine Ursache dafür ist, daß die piezokeramische Lamelle unter dem Einfluß dcs elektrischen Feldes sowohl ihre Länge als auch ihre Breite ändert, solange äußere Kräfte dies nicht verhindern. Bei der Erfindung verhindern die Querstege eine derartige Verwölbung. Dadurch erfolgt in gewissem Maße eine Querklemmung der piezokeramischen Lamelle.These web plates work in the following ways: In a bending transducer Without such web plates, undesired warping transversely to the operation can occur Direction of bending, i.e. transverse to the bending around the intended bending axis. One The reason for this is that the piezoceramic lamella is under the influence of the electric Field changes both its length and its width, as long as external forces do so not prevent. In the case of the invention, the transverse webs prevent such a warping. As a result, the piezoceramic lamella is clamped transversely to a certain extent.

Bei vollkommener Querklemmung der piezokeramischen Lamelle erhöht sich der Piezomodul in Längsrichtung, d.h. der Quotient zwischen Längenänderung der Lamelle und der auf die Lamelle wirkendenelektrischen Feldstärke, um den Faktor 1 + /u, wobei /u die Foissonzahl, das ist der Quotient zwischen Längenänderung und Breitenänderung, der Lamelle ist, µ # 0,3.Increased when the piezoceramic lamella is perfectly clamped across the piezo module moves in the longitudinal direction, i.e. the quotient between the change in length of the lamella and the electric field strength acting on the lamella by the factor 1 + / u, where / u is the Foisson's number, which is the quotient between change in length and Change in width of the lamella is µ # 0.3.

Damit erhöht sich die entnehmbare Energie um (1 + µ)2/(1 # also etwa um den Faktor 1,85. Im Realfall muß /u durch /u (1 - SK/SM) ersetzt werden, wobei SK und 5M die longitudinale Steifigkeit der piezokeramischen Lamelle bzw. des Trägerbleches ist. Für Stahlblech erreicht man etwa SK/SM = 1/4..This increases the energy that can be drawn by (1 + µ) 2 / (1 #, i.e. roughly by a factor of 1.85. In the real case / u must be replaced by / u (1 - SK / SM), where SK and 5M the longitudinal stiffness of the piezoceramic lamella or the carrier plate is. For sheet steel you get about SK / SM = 1/4 ..

Die entnehmbare Energie erhöht sich also um einen Faktor 1,58.The energy that can be drawn increases by a factor of 1.58.

Eine vollkommene Querklemmung kann gemäß der Erfindung z.B.A perfect transverse clamping can according to the invention e.g.

dadurch erreicht werden, daß audi das erste Element als eine weitere piezokeramische Lamelle ausgebildet ist, an deren von der ersten piezokeramischen Lamelle abgewandten Metallisierung Stegbleche angelötet sind. Diese beiden Lamellen werden elektrisch so geschaltet, daß, beim Anlegen einer Spannung an die Netallisierungen, die eine lamelle ihre Länge vergrößert, die andere Lamelle ihre Länge verringert.can be achieved in that also the first element as a further piezoceramic lamella is formed, on which of the first piezoceramic Lamella facing away from metallization web plates are soldered. These two slats are electrically switched in such a way that when a voltage is applied to the network, one lamella increases its length, the other lamella reduces its length.

Wirkt im umgekehrten Fall eine mechanische Kraft auf den Biegewandler, so erhöht sich aufgrund der Stegbleche die Steifigkeit des Biegewandlers, d.h. er setzt mechanischen Kräften einen größeren Widerstand entgegen.If, in the opposite case, a mechanical force acts on the bending transducer, the stiffness of the bending transducer, i.e. it, increases due to the web plates provides greater resistance to mechanical forces.

Die piemSeramischen Lamellen sind in Dickenrichtung polarisiertv Dies hat den Vorteil, daß die Herstellung der Polarisation außerordentlich einfach ist: Als Polarisationselektroden können die Metallisierungen verwandt werden, die für den Betrieb des Biegewandlers ohnehin auf den Lamellen angebracht werden müssen.The piemSeramischen lamellae are polarized in the direction of the thickness has the advantage that the creation of the polarization is extremely easy: The metallizations that are used for the operation of the bending transducer must be attached to the slats anyway.

Eine dieser Metallisierungen kann auch durch das Trägerblech gebildet werden.One of these metallizations can also be formed by the carrier sheet will.

Beim Betrieb dieses Biegewandlers ist es vorteilhaft, die Betriebsspannung so an die Metallisierungen der piezokeramischen Lamelle anzulegen, daß die Polarisation unterstützt wird: Die Metallisierung, die bei der Polung am positiven Pol einer Spannungsquelle angeschlossen war, liegt beim Betrieb wiederum am positiven Pol einer Betriebsspannungsquelle, die andere Metallisierung liegt dementsprechend am negativen Pol der Betriebsspannungsquelle. Damit kann man die Lamelle Spannungen aussetzen, die in der Lamelle eine elektrische Feldstärke zwischen 0 und 240OV/cm erzeugen, ohne daß die Stärke der Polarisation der piezokeramischen Lamelle abnimmt, Dieser Wert gilt für. die Ausführungsform der Erfindung mit einem Trägerblech als erstem Element.When operating this bending transducer, it is advantageous to use the operating voltage to apply to the metallization of the piezoceramic lamella in such a way that the polarization is supported: The metallization that occurs when polarizing at the positive pole of a Voltage source was connected, is again at the positive pole during operation an operating voltage source, the other metallization is accordingly on negative pole of the operating voltage source. This allows the lamella tensions expose the lamella to an electric field strength between 0 and 240OV / cm generate without the strength of the polarization of the piezoceramic lamella decreasing, This value applies to. the embodiment of the invention with a carrier plate as first element.

Die AusführungsfDrm der Erfindung mit zwei piezokeramischen Lamellen kann nur geringeren Feldstärken ausgesetzt werden, da immer eine Lamelle ihrer Polarisation entgegengesetzt belastet wirdf In. den Figuren ist der Biegewandler nur mit einem Ende in eine Halterung eingespannt. Man k kann ihn auch mit beiden Enden einspannen und die mechanische Energie in der Mitte des Wandlers abnehmen.The embodiment of the invention with two piezoceramic lamellae can only be exposed to lower field strengths, as there is always a lamella of its polarization is loaded in the opposite direction f In. the figures is the bending transducer clamped in a holder at one end only. You can do it with both Clamp the ends and remove the mechanical energy in the middle of the transducer.

Die Biegewandler der Erfindung können z.B. als Motoren für Elektrorasierer oder zur Betätigung elektrischer Schalter dienen.The bending transducers of the invention can be used, for example, as motors for electric shavers or to operate electrical switches.

4 Patentansprüche 3 Figuren4 claims 3 figures

Claims

Claims 1. Piezoelectric bending transducer, which is a first Element and a second, piezoceramic, active element containing each other are connected to a laminate, thereby g e -k e n n n z e i c h n e t that the first element has web plates (30) which are transverse to a longitudinal axis of the bending transducer and run parallel to the intended bending axis of the bending transducer.

2. Bending transducer according to claim 1, characterized in that g e k e n n z e i c h n e t that the first element is a carrier plate (1).

3. Bending transducer according to one of claims 1 or 2, characterized g e k It is noted that the web plates are soldered to the first element.

4. Bending transducer according to one of claims 1 to 5, characterized g e k e It is noted that the web plates have a triangular shape.

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