DE2445062C3

DE2445062C3 - Piezoelectric bending transducer

Info

Publication number: DE2445062C3
Application number: DE19742445062
Authority: DE
Inventors: Max Dr.Rer.Nat. 8011 Zorneding Guntersdorfer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1974-09-20
Publication date: 1977-10-13

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Biegewandler, wie er im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschrieben ist.The invention relates to a piezoelectric bending transducer as described in the preamble of claim 1 is described.

Solch ein Biegewandler ist beispielsweise aus der DT-OS 22 10 695, in der ein Relais beschrieben wird, bekannt. Das aktive Element ist eine piezokeramische Lamelle, auf die das erste Element, ein Trägerblech, aut'laminieri ist. Die elektrostriktiv erzeugte Längenänderung der piezokeramischen Lamelle bewirkt dann eine Verbiegung des Biegewandlers. Ein derartiger Biegewandler kann an einem Ende in einer Halterung eingespannt werden, das andere Ende ist frei beweglich. Ein solcher Biegewandler kann beispielsweise als Motor für ein Elektrogerät verwendet werden. Diese Biegewandier sind jedoch in ihrem Wirkungsgrad beschränkt, insbesondere sind die in Auslenkrichtung erzeugbaren Kräfte begrenzt.Such a bending transducer is, for example, from DT-OS 22 10 695, in which a relay is described, known. The active element is a piezoceramic lamella on which the first element, a carrier plate, aut'laminieri is. The electrostrictively generated change in length of the piezoceramic lamella then causes it bending of the bending transducer. Such a bending transducer can be in a holder at one end be clamped, the other end is free to move. Such a bending transducer can, for example, be used as a motor used for an electrical appliance. However, these flexural converters are limited in their efficiency, In particular, the forces that can be generated in the direction of deflection 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 Patentanspruchs 1 angegebenen Biegewandier gelöst, der entsprechend dem Kennzeichen dieses Anspruchs erfindungsgemäß ausgebildet ist.The object of the invention is to provide a bending transducer with a high degree of efficiency and great force generation to specify. This object is achieved by a bending shaft as specified in the preamble of claim 1 solved, which is designed according to the characterizing part of this claim according to the invention.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren erläutert.In the following, exemplary embodiments of the invention are explained with reference to the figures.

F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt des Biegewandlers;F i g. 1 shows a longitudinal section of the bending transducer;

F i g. 2 zeigt eine Draufsicht des Bicgewandlers;F i g. Fig. 2 shows a top view of the bicconverter;

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt des Biegewandlers entlang der Schnittlinie 111-111 in der Fi g. 2.FIG. 3 shows a cross section of the bending transducer along the section line 111-111 in FIG. 2.

Gemäß Fig. 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. Eine der Metallisierungen kann auch durch das Trägerblech gebildet werden. Auf der von der piezokeramischen Lamelle abgewandten Seite des Trägerbleches sind Stegbleche 30 angebracht. Diese verlaufen, wie aus der F i g. 2 zu entnehmen ist, senkrecht zur Längsachse des Trägerbleches, d. h. parallel zur vorgesehenen Biegeachse des Biegewandlers. Gemäß Fig. 3 können diese Stegbleche beispielsweise eine dreieckige Form haben. Sie können an das Trägerbiech angelötet sein. Der Biegewandler kann an einem Ende in eine HalterungAccording to FIG. 1, a piezoceramic lamella 2 is laminated onto a carrier plate 1. This owns the metallizations 20, 21 for applying a voltage, so that on the piezoceramic lamella electric field can be applied. One of the metallizations can also go through the carrier plate are formed. On the side of the carrier plate facing away from the piezoceramic lamella Web plates 30 attached. As shown in FIG. 2 can be seen, perpendicular to the longitudinal axis of the Carrier plate, d. H. parallel to the intended bending axis of the bending transducer. According to FIG. 3, this can For example, web plates have a triangular shape. They can be soldered to the carrier sheet. the Bending transducer can be placed in a holder at one end

100 eingespannt sein. ,,..·■■100 be clamped. ,, .. · ■■

Diese Stegbleche wirken m der folgenden Weise: 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 des elektrischen Feldes sowohl ihre Länge als auch ihre Breite ändert, solange äußere Kräfte dies nicht ,ο verhindern. Bei der Erfindung verhindern die Querstege eine derartige Verwölbung. Dadurch erfolgt in gewissem Maße eine Querklemmung der piezokeramischenThese web plates function m the following manner: In a bending actuator without such web plates during operation undesirable warpage may be transverse to the bending direction, ie transversely to the bending around the intended bending axis occur. One reason for this is that the piezoceramic lamella changes both its length and its width under the influence of the electric field, as long as external forces do not ο prevent this. In the invention, the transverse webs prevent such a warping. This results in a certain degree of cross-clamping of the piezoceramic

Lamelle. .Lamella. .

Bei vollkommener Querklemmung der piezokeramisehen Lamelle erhöht sich der Piezomodul in Längsrichtung, d. h., der Quotient zwischen Längenänderung der Lamelle und der auf die Lamelle wirkenden elektrischen Feldstärke, um den Faktor 1 + μ. wobei μ die Poissonzahl.das ist der Quotient zwischen Längcnande- rung und Breitenänderung, der Lamelle ist, μ = 0.3. Damit erhöht sich die entnehmbare Energie um (1 + μ)² I (1 -μ²)· ^a'^{so etwa um} ^dcn faktor 1.85. Im Rcalfall muß μ durch μ(\ - S_KIS_M) ersetzt werden, wobei 5k und S_M die longitudinal Steifigkeit der piezokeramischen Lamelle bzw. des Trägerbleches ist. Für Stahlblech erreicht man etwa S_KIS_M= 1/4. Die entnehmbare Energie erhöht sich also um einen FaktorIf the piezoceramic lamella is clamped perfectly across the entire length, the piezo module increases in the longitudinal direction, that is, the quotient between the change in length of the lamella and the electrical field strength acting on the lamella, by a factor of 1 + μ. where μ is the Poisson's ratio, which is the quotient between the change in length and the change in width of the lamella, μ = 0.3. This increases the energy that can be drawn by (1 + μ) ² I (1 -μ ² ) · ^a ' ^by ^{about a} factor of 1.85. In the case of Rcal, μ must be replaced by μ (\ - S _K IS _M ) , where 5k and S _{M are} the longitudinal stiffness of the piezoceramic lamella or the carrier plate. For sheet steel you get about S _K IS _M = 1/4. The energy that can be drawn increases by a factor

1,58.
Eine vollkommene Querklemmung kann ?.. B. dadurch erreicht werden, daß auch 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 Metallisierungen die eine Lamelle ihre Länge vergrößert, die andere Lamelle ihre Länge verringert.1.58.
.. as can? Be achieved by a perfect Querklemmung that also the first element is designed as an additional piezoceramic plate, on whose side facing away from the first piezoceramic plate metallization web plates are soldered. These two lamellae are electrically connected in such a way that when a voltage is applied to the metallizations, one lamella increases its length and 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, it increases due to the Web plates the stiffness of the bending transducer, d. that is, it puts greater resistance to mechanical forces opposite.

Die piezokeramischen Lamellen sind in Dickenrichtung polarisiert. Dies hat den Vorteil, daß dieThe piezoceramic lamellae are polarized in the direction of the thickness. This has the advantage that the

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. Eine dieser Metallisierungen kann auch durch das Trägerblech gebildet werden.Producing the polarization is extremely simple: The metallizations can be used as polarization electrodes are used, which are attached to the slats for the operation of the bending transducer anyway Need to become. One of these metallizations can also be formed by the carrier sheet.

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 Betriebsspanniingsquelle, 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 2400 V/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 apply the operating voltage to the metallizations of the To put on piezoceramic lamella that the polarization is supported: The metallization, which in the Polarity was connected to the positive pole of a voltage source, is in turn on during operation positive pole of a source of operational voltage, the other Metallization is accordingly on the negative pole of the operating voltage source. So you can do the Expose the lamella to voltages that generate an electric field strength between 0 and 2400 V / cm in the lamella generate without the strength of the polarization of the piezoceramic lamella decreasing. This value applies for the embodiment of the invention with a carrier plate as the first element.

Die Ausführungsform der Erfindung mit zwei piezokeramischen Lamellen kann nur geringeren Feldstärken ausgesetzt werden, da immer eine LamelleThe embodiment of the invention with two piezoceramic lamellae can only be smaller Field strengths are exposed because there is always a lamella

ihrer Polarisation entgegengesetzt belastet wird.their polarization is loaded opposite.

In den Figuren ist der Biegewandler nur mit einem Ende in eine Halterung eingespannt. Man kann ihn auch mit beiden Enden einspannen und die mechanische Energie in der Mitte >)es Wandlers abnehmen.In the figures, only one end of the bending transducer is clamped into a holder. You can do it too clamp with both ends and remove the mechanical energy in the middle>) of the converter.

Die Biegewandler der Erfindung können z. B. als Motoren für Elektrorasierer oder /ur Betätigung elektrischer Schalter dienen.The bending transducers of the invention can, for. B. as motors for electric shavers or / ur actuation electrical switches are used.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Piezoelectric bending transducer, which has a first element and a second, piezoceramic, active Contains element which are connected to one another to form a laminate, characterized in that 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 the first element is a carrier plate (1) is.

3. Bendgewandier according to one of claims 1 or 2, characterized in that the web plates are soldered to the first element.

4. Bending transducer according to one of claims 1 to 3, characterized in that the web plates a have a triangular shape.