DE3046535A1

DE3046535A1 - Elektromechanischer wandler

Info

Publication number: DE3046535A1
Application number: DE19803046535
Authority: DE
Inventors: Kanji Yokohama Kanagawa Murano; Susumu Nishigaki; Yoshihisa Kawasaki Kanagawa Watanabe
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1979-12-12
Filing date: 1980-12-10
Publication date: 1981-08-27
Also published as: GB2066563B; FR2472325B1; NL8006692A; FR2472325A1; US4363993A; GB2066563A; CA1165860A

Description

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektromechanischen Wandler und bezieht sich insbesondere auf einen als sog. Zweielement-Kristallplättchen aus piezoelektrischem Material ausgebildeten Wandler, der ein elektrisches Signal in eine entsprechende (mechanische) Auslenkung umsetzt.

Wenn ein elektromechanischer Wandler der genannten Art an einem Ende fest eingespannt ist und am anderen Ende einen Magnetkopf trägt, dann wird beim Anlegen einer Spannung an ο den Wandler der Magnetkopf um eine dieser Spannung entsprechende Strecke verlagert bzw. ausgelenkt.

Zur Erhöhung der Aufzeichnungsdichte wird in magnetischen Aufzeichnungs- und Wiedergabegeräten wie z.B. Video-Bandgeräten angestrebt mit möglichst enger Spurbreite zu arbeite und je geringer die Spurbreite ist, desto genauer muß ein Aufzeichnungs- und Wiedergabe-Magnetkopf relativ zu der Aufzeichnungsspur geführt werden. Da diese Präzision mit mechanischen Mitteln allein nur unter großem Kostenaufwand erreichbar wäre, ist es üblich den Magnetkopf mittels eines elektromechanischen Wandlers der eingangs genannten Art der Aufzeichnungsspur nachzuführen. Wenn diesem Wandler der mit einem Ende an einer Magnetkopftrommel befestigt ist und am anderen Ende einen Magnetkopf trägt, ein durch eine Positionsabweichung zwischen Magnetkopf und Aufzeichnungsspur verursachtes und der Änderung eines Wiedergabesignals entsprechendes elektrisches Signal zugeführt wird, dann verlagert sich das freie Ende des Wandlers in dem Sinne, daß der Magnetkopf immer korrekt der Spur nachgeführt wird.

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Grundsätzlich muß ein zur Video-Spurnachführung benutzter elektromechanischer Wandler durch eine geringe Spannung weit auslenkbar sein, bei Video-Bandgeräten mit großer Spurbreite um einige hundert bis zu sechshundert μΐη.

Ein in Fig. 1 dargestelltes herkömmliches elektromechanisches Wandlerelement besteht aus zwei piezoelektrischen Platten 2, deren beide Hauptflächen mit Elektroden 1 beschichtet sind, und einer mittels eines Klebers 3 zwischen die piezoelektrischen Platten 2 geklebten Zwischenlage (shim) 4. Die Platten 2 sind aus einem piezoelektrischen Material wie Keramik, Polymer, Verbindungen aus Keramik und Polymer o.dgl. hergestellt, der Kleber 3 ist ein leitfähiger Kleber, und die Zwischenlage 4 besteht aus Titan, Edelstahl, Phosphorbronze o.dgl.

Beide piezoelektrische Platten 2 sind senkrecht zu ihren Hauptflächen, jedoch in entgegengesetzten Richtungen polarisiert. Wenn durch Anlegen einer Spannung an die äußeren Elektroden 1 der piezoelektrischen Platten 2 an ihnen ein senkrecht zur Hauptflächc ausgerichtetes elektrisches Feld erzeugt wird, dann wird die eine Platte länger und die andere Platte 2 kürzer, und der gesamte piezoelektrische Wandler erfährt eine Auslenkung. Wenn der aus den dünnen piezoelektrischen Platten 2 und der Zwischenlage 4 geschichtete herkömmliche elektromechanische Wandler in Fig. 1 an einem Ende mechanisch befestigt oder eingeklemmt wird, verlagert sich das andere Ende des Wandlers in der einen oder anderen Pfeilrichtung in Fig.

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Das beschriebene herkömmliche elektromechanische Wandlerelement hat eine zu geringe Auslenkung. Da seine piezoelektrischen Platten 2 auf beiden Hauptflächen mit Elektroden 1 beschichtet sind, erfolgt die Dehnung oder Schrumpfung der Platte 2 in Übereinstimmung mit der Richtung des angelegten elektrischen Feldes. Die Dehnung und Schrumpfung erfolgt in bezug auf zueinander senkrechte x- und y-Richtungen. Wenn zur mechanischen Verankerung der piezoelektrischen Platte 2 in bezug auf die x- und y-Richtungen die eine Hauptfläche dieser Platte 2 mit einer Zwischenlage 4 verklebt ist, deren Elastizitätsmodul oder Young'scher Modul in beiden Richtungen χ und y gleich ist oder der eine Isotropie im Young'sehen Modul hat, dann entstehen an der piezoelektrischen Platte 2 gemäß Fig. 3 Durchbiegungen in beiden x- und y-Richtungen. Wenn nur in der einen Richtung, beispielsweise der x-Richtung eine Durch-' biegung erwünscht ist, dann wird diese Nutzdurchbiegung durch die unerwünschte Durchbiegung in der y-Richtung stark behindert.

Außerdem ermöglicht der bei dem herkömmlichen Wandlerelement in Fig. 1 verwendete Polymer-Kleber als Kleber keine ausreichende Verankerung der piezoelektrischen Platte 2 mit der Zwischenlage 4, er ist zu weich.

Aus den vorstehend genannten Gründen kann der herkömmliche elektromechanische Wandler keine ausreichende Auslenkuny bieten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromechanischen Wandler der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß er eine große Auslenkung bietet, eine geringer

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säkulare Abweichung aufweist, seine Eigenschaften über eine lange Lebensdauer behält und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.

Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe ist kurzgefaßt im Patentanspruch 1 angegeben.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Bei dem erfindungsgemäßen piezoelektrischen Element wird dadurch eine besonders große Auslenkung in einer gewünschten Richtung erzielt, daß die zweite Schicht in zueinander senkrechten Richtungen unterschiedliche Elastizitätsmoduli hat, die sich ferner von dem Elastizitäts—___ modul der ersten Schicht unterscheiden.

Darin liegt der Schlüssel zur Lösung der gestellten Aufgäbe. Wenn der so ausgebildete elektromechanische Wandler an einem Ende fest eingespannt wird, ist er an seinem freien Ende zu einer großen Auslenkung fähig.

Die guten Eigenschaften des erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers erleiden selbst dann keine Einbuße, wenn im Verlauf einer langen Lebensdauer ein Elektrodenriß entstehen sollte.

Nachstehend werden einige die Merkmale der Erfindung aufweisende Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf eine Zeichnung, die auch den zuvor erläuterten Stand der Technik enthält und in der gleiche Einzelheiten gleiche Bezugszahlen tragen, näher erläutert. Es zeigen:

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Fig. 1, 2 und 3 einen Querschnitt und zwei

Perspektivdarstellungen des eingangs erläuterten herkömmlichen elektromechanischen Wandlers,

Fig. 4 einen maßstäblich vergrößerten Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers,

Fig. 5 und 7 eine abgebrochene Perspektivdarstellung und einen maßstäblich vergrößerten

Teilschnitt zu dem Ausführungsbeispiel der Erfindung in Fig. 4,"

Fig. 6 und 8 grafische Darstellungen gemessener

Auslenkungsbeträge bei dem Ausführungsbei- - · spiel von Fig. 4 bzw. einem erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiel,

Fig.10 und 9 eine vergrößerte Ansicht eines

zweiten erfindungsgemäßen Materialbeispiels und eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem Auslenkμngsbetrag des zweiten

Materials und der Richtung seiner Fasern,

Fig.11 eine Draufsicht auf eine weitere erfindungsgemäße Ausführung eines elektromechanischen Wandlers oder Zweielementkristalls,

Fig. 12 und 13 einen Querschnitt durch das einseitig

eingespannte Zweielementkristall von Fig. 11 und eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Elektrodendicke, Empfindlichkeit und der Ableitung der Auslenkung des Zweielementkristalls von Fig. 11,

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Fig. 14 und 15 Draufsichten auf verschiedene andere erfindungsgemäße Zweielementkristalle,

Fig. 16 eine grafische Darstellung zum Verhalten der Auslenkung beim Entstehen eines Elek

trodenrisses ,

Fig. 17 eine Draufsicht auf ein Vergleichsbeispiel mit einem entstandenen Elektrodenriß,

Fig. 18A, 18B und 19A, 19B wellenförmige Auslenkungs· diagramme von Zweielementkristallen, und

Fig. 20 und 21 Draufsichten weiterer erfindungsge- ~-_mäßer Ausführungsbeispiele von Zweielementkristallon.

Das in Fig. 4 und 5 dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers enthält zwei als piezoelektrische Platten ausgebildete und auf ihren beiden Hauptflächen je eine Elektrode 11 tragende erste Schichten 12, die durch eine zwischengelegte zweite Schicht 13 aus einem zweiten Material zu einem integralen Laminat zusammengefügt sind.

Die ersten Schichten 12 sind als piezoelektrische Keramikplatten aus z.B. einer Blei-Zirkonat-Titan-Keramik hergestellt, und die auf ihren beiden Hauptflächen aufgetragenen Elektroden sind durch stromloses Aufplattieren eines Metalls wie Nickel Ni, Kupfer Cu o.dgl., durch Elektroplattieren von An oder Ag auf den stromlos plattierten Ni-, Cu-Schichten o.dgl. zwecks Widerstandsverringerung oder Verbesserung der Korrosionseigenschaften, oder durch Aufdampfen verschiedener

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Metalle wie Ait, Ag, Ni, Cu, Cr ο.dgl. gebildet. In jedem Fall liegt die Gesamtdicko jeder Elektrode 11 zwischen O, 1 um bis 3 μΐη.

Als zweite Schicht 13 kann eine Graphitfaserschicht verwendet werden,welche z.B. aus Graphitfasern besteht, die in eine Richtung verlaufen und durch Imprägnieren oder Eintauchen in Epoxyharz verklebt sind. Diese Graphitfaserschicht hat in der Längsrichtung der Graphitfasern ihren größten und senkrecht dazu ihren kleinsten Young¹ sehen Modul,.

Wenn diese Graphitfaserschicht in dem elektromechanischen Wandlerelement enthalten ist, werden seine Graphitfasern so gelegt, daß sie parallel zu der Richtung verlaufen, in welcher der elektromechanische Wandler sich zur Erzeugung der Auslenkung dehnen oder kürzen soll. Dies ist in Fig. 5 die x-Richtung, in dieser hat die Graphitfaserschicht ihren größten Young¹sehen Modul oder Elastizitätsmodul.

Nachstehend wird ein Bezugsbeispiel eines crfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlers näher beschrieben. Als erste Schicht 12 wird eine aus der piezoelektrischen Keramik Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) bestehende piezoelektrische Platte mit einer Dicke von 25 0μΐη vorbereitet und auf deren beiden HauptflächenEiektroden 11 durch Aufdampfen von z.B. Au im Vakuum aufgetragen. Dann werden die so hergestellten beiden piezoelektrischen Platten 12 senkrecht zu ihren Hauptflächen und so einem Polungsprozeß unterworfen, daß beide in entgegengesetzten Richtungen zueinander polarisiert s;ind. Dann wird eine Anzahl von parallele Graphitfasarn 15 mit 10μτη Durchmesser in Epoxyharzkleber 1G

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eingetaucht oder imprägniert und daraus eine ΙΟΟμίη dicke Graphitfaserschicht hergestellt, welche die Zwischenlage oder zweite Schicht 13 bildet und sandwichartig zwischen den beiden piezoelektrischen Platten 12 eingebettet ist. Im o.g. Zustand werden sie über drei Stunden auf 120° bis 130⁰C erwärmt und gepreßt, um den Kleber 16 auszuhärten. Daraus wird ein elektromechanisches Wandlerelement von 25 mm χ 25 mm hergestellt, bei dem die Graphitfasern der Zwischenlage 13 parallel zur x-Richtung und senkrecht zur y-Richtung verlaufen und das an einem 'Ende 5 mm tief in der x-Richtung eingespannt wird. Anschließend wurde die Auslenkung dieses elektromechanischen Wandlerelementes in der y-Richtung in einem Abstand von 10 mm beiderseits der Mitte, d.h. über eine Strecke von 20 mm und senkrecht zur Oberfläche des Elements gemessen; das Meßergebnis ist in Fig. 6 als Kurve A aufgetragen.

Anschließend wurde das elektromechanische Wandlerelement in der y-Richtung an einem Ende 5 mm tief eingespannt und dann die Auslenkung in der x-Richtung über 10 mm nach beiden Seiten oder eine Länge von 2 0 mm und senkrecht zur Oberfläche des Wandlerelements gemessen; das Meßergebnis ist in Kurve B von Fig. 6 enthalten.

In dem Zustand gemäß Fig. 4 wurde bei den erläuterten Messungen eine Wechselspannung von 200 V Spitze/Spitze an die äußeren Elektroden 11 des Wandlerelements angelegt.

Beim Vergleich zwischen den Kurven A und B in Fig. 6 fällt auf, daß der Auslenkungsbetrag des einseitig eingespannten elektromechanischen Wandlerelements in der x-Richtung (Kurve B) größer ist als in der y-Richtung, und zwar in der Mittenposition etwa um den Faktor 2,5 und an beiden Endpositionen etwa um den Faktor 1,8. Dadurch hat das Element

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eine hohe Empfindlichkeit. Die Ursache dafür, daß der Auslenkungsbetrag in der y-Richtung kleiner als in der x-Richtung ist, ist darin zu suchen, daß in der y-Richtung (=Packungsrichtung der Graphitfasern die Zwischenlage 13 einen geringeren Elastizitätsmodul hat Sie wird in Abhängigkeit von der durch den piezoelektrisch· Effekt oder elektrostriktiven Effekt hervorgerufenen Dehnung und Schrumpfung der piezoelektrischen Platten 12 etwas gedehnt und geschrumpft und hat damit eine geringere Verankerungswirkung auf die Platten 12 in dieser Richtung, und es kommt keine große Auslenkung zustande. Im Gegensatz dazu hat die Zwischenlage 13 in der parallel zur Längsrichtung der Graphitfasern verlaufenden x-Richtung einen großen Elastizitätsmodul «und eine -große Verankungswirkung auf die piezoelektrischen Platten"-^, so daß hier ein großer Auslenkungsbotrag erzielbar ist. Wegen der erläuterten Unterdrückung der Durchbiegung der piezoelektrischen Platten 12 in der y-Richtung wird die Durchbiegung in der x-Richtung der Platten 12 erleichtert, mit dem Ergebnis, daß in der x-Richtung ein großer Auslenkungsbetrag erzielbar ist.

Beim Kurvenvergleich fällt auf, da,ß der Auslenkungsbetrag in der Mitte von Kurve A kleiner als der von Kurve B ist. Grundsätzlich werden die Durchbiegungen in den Richtungen x und y durch die Durchbiegungen in den Richtungen y bzw. χ behindert, besonders in der Mitte. Wegen der erfindungsgemäß reduzierten Durchbiegung in der y-Richtung wird jedoch eine Unterdrückung der Durchbiegung in der Mittenposition der x-Richtung vermieden, so daß in der x-Richtung auch in der Mitte eine große Auslenkung stattfindet.

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F.Or.y

Fig. 7 zeigt einen vergrößerten Teilschnitt durch die zwischen den piezoelektrischen Platten 12 liegende Zwischenlage 13, die durch Eintauchen einer Anzahl von Fasern wie Graphitfasern 15 in ein Klebemittel 16, aus-. härten und pressen hergestellt ist, so daß die Fasern 15 fest mit dem Klebemittel 16 verbunden sind. Durch diesen Klebeprozeß stehen die Fasern 15 annähernd im direkten Kontakt mit der Elektrode 11 der piezoelektrischen Platten 12, ohne oder mit nur einer sehr dünnen elastischen verlagerungsfähigen Klebemittelschicht 16 dazwischen. Auf diese Weise wird ein hoher Verankcrunyrii*! fckt zwischen der Zwischenlage 13 und der piezoelektrischen Platte 12 erzielt.

Ausführungsanschlüsse von den inneren Elektroden 11 der piezoelektrischen Platten 12 können durch auf die zweite Schicht oder Zwischenlage 13 aufgebrachte Metallfolien oder aufgedampfte Metallschichten auf der eingespannten Seite des elektromechanischen Wandlerelements gebildet werden, oder durch nicht dargestellte Aussparungen in der Zwischenlage 13 zur Freilegung der inneren Elektroden 11 auf den Platten 12, um diese Stellen mit weiterführenden Anschlüssen zu verbinden.

Zur Erläuterung der Erfindung wird nun ein Vergleichsbeispiel 1 beschrieben. In diesem Fall hat das elektromechanische Wandlerelement sog. polymere piezoelektrische Platten 12, die aus einem aus Polyfluor-Vinyliden sowie piezoelektrischen Keramiken zusammengesetzten Material bestehen. Die hierbei verwendete Zwischenlage 13 ist im wesentlichen die gleiche wie im zuvor beschriebenen Bezugsbeispiel.

Die Meßergebnisse der Auslenkungsbetrage in den x- und y-Richtungen des Bezugsbeispiels 1 sind in den Kurven C und

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D von Fig. 8 enthalten; daraus geht hervor, daß die Auslenkungen in den Richtungen χ und y zumindest annähernd gleich sind. Warum sind trotz Verwendung der anisotropen Zwischenlage 13, die in der x-Richtung einen größeren Elastizitätsmodul als in der y-Richtung hat und der Zwischenlage in dem Bezugsbeispiel entspricht, die Auslenkungen in der x- und y-Richtung gleich? Der Grund ist in der Anwendung polymerer piezoelektrischer Platten bei diesem Vergleichsbeispiel 1 zu suchen, deren Elastizitätsmodul kleiner ist als der Elastizitätsmodul der Zwischenlage in der y-Richtung, so daß der Verankerung£ effekt zu groß ist. Erfindungsgemäß ist der Elastizitätsmodul E der piezoelektrischen Platte 12 (erstes Material oder erste Schicht) größer gewählt als der Elastizitätsmodul Ey der Zwischenlage 13 (zweites Material oder zweite Schicht) in der y-Richtung.

Beispielsweise hat die piezoelektrische Keramik bei dem Bezugsbeispiel einen Elastizitätsmodul von 5 bis 10 oder · insbesondere 7x10 kg/cm² und die Kohlenstoffaserschicht jeweils einen Elastizitätsmodul von 13,5 χ 10' kg/cm² in Faserrichtung und von 1,0 χ 10 kg/cm² senkrecht zur Faserrichtung. Der Elastizitätsmodul oder Young'sehe Modul der polymerisieren piezoelektrischen Platte be-

4 2 trägt dazu im Vergleich zum Beispiel 1 2,6 χ 10 kg/cm Der Elastizitätsmodul bei einer bekannten Seam-Platte beträgt 10 χ 10⁵ kg/cm².

Beim gewählten Bezugsbeispiel ist die Zwischenplatte 13 so angeordnet, daß der maximale Elastizitätsmodul in x-Richtung und der minimale Elastizitätsmodul in y-Richtung liegen. Es ist jedoch möglich, daß zwischen den Ausbreitungsrichtungen der Fasern in der Zwischenplatte 13 und der x-Richtung ein gewisser Winkel gegeben ist, so daß beide Richtungen nicht übereinstimmen.

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Liegt beispielsweise ein Winkel θ zwischen der Ausbreitungsrichtung der Graphit- oder Kohlenstoffasern in der Zwischenplatte 13 und der x-Richtung vor, der gegenüber dem Wert 0° um +_ 5° schwankt und wird der Verschiebebetrag des elektromechanischen Wandlers in x-Richtung gemessen, so zeigt sich im Ergebnis die Kurve E gemäß der graphischen Darstellung der Fig. 9. Im Graph der Fig. 9 entspricht der durch unterbrochene Linie a angegebene Verschiebebetrag dem Wert für den Fall, daß eine Metallplatte als Zwischenplatte bei einem bekannten elektromechanischen Wandlerelement verwendet wird. Dieser Wert des Verschiebebetrags entspricht ungefähr dem Fall, wenn der Winkel θ zu 45° gewählt wird. In anderen Worten, wird der Winkel θ kleiner als 45° gewählt, so zeigt sich bezüglich des Elastizitätsmoduls der Zwischenplatte Anisotropie und die Empfindlichkeit wird verbessert.

Die nachfolgende Tabelle 1 zeigt gemessene Werte für den Young¹sehen Modul Ex der beim Bezugsbeispiel aus Kohlenstoffasern hergestellten Zwischenplatte 13 in x-Richtung und dem Verhältnis zwischen den Young¹sehen Moduli Ex und Ey bei Veränderung des Winkels Θ.

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Tabelle 1

<θ	Ex (Kg/cm )	1 Ex/Ey
0°	13.5 χ 10⁵	13.5
15°	10.35 χ 10⁵	9
30°	6.12 χ 10⁵	4.5
45°	2.7 χ 10⁵	1
60°	1.35 χ 10⁵	0.22
75°	1.15_x 10⁵	0.11
90°	1.0 xlO⁵	0.07

Bei Verwendung einer Fasemwie Graphitfasern enthaltenden zweiten Schicht 13 mit einer Elastizitätsmodul-Anisotropie wie zuvor beschrieben muß die Längsrichtung der Fasern nicht auf eine Richtung mit einem Winkel θ von 0° bis 45° beschränkt sein. Vielmehr können, wie beispielsweise in Fig. 10 durch dünne Linien angedeutet, eine Lage Fasern 15 wie Graphitfasern unter einem Winkel +Θ zur x-Richtung und eine zweite Lage Fasern 15 wie Graphitfasern unter einem Winkel -Θ zur x-Richtung integral laminiert oder integral mit der zweiten Schicht 13. verbünde sein.

In anderen Fällen kann eine dritte Lage aus ähnlichen Fasern unter einem Winkel θ von 90° (nicht dargestellt) zwischen die beiden Lagen gelegt und integral zu einer Schicht mit ihnen verbunden sein.

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Wie schon erwähnt tragen die piezoelektrischen Platten 12 beiderseits zwischen 0,1 um bis 3 um dicke Elektroden 11. Beispielsweise werden die beiden Hauptflächen zweier piezoelektrischer Platten aus Blei-Zirkonat-Titanat-Keraitiik und mit einer Dicke von 200 um stromlos und 1 um dick mit Ni plattiert und darauf elektrisch eine Lage Au in einer Dicke von 0,1 um zur Bildung der Elektrode 11 aufgetragen. Die zwischen den beiden piezoelektrischen Platten sandwichartig angeordnete zweite Schicht besteht ο aus mit einem Klebemittel aus Epoxyharz imprägnierten Graphitfasern und ist 170 um dick. Durch Erhitzen und pressen des Ganzen entsteht daraus ein Zweielementkristall 19 in Fig. 11, der parallel zur Längsrichtung der Graphitfasern eine Länge L von 27 mm hat, an einem Ende zwischen

T 5 einer Basis 20 und einem Halter 21 über eine Länge -Cs van 9 mm in der Faserrichtung fest eingespannt ist (Fig.12) und auf der anderen Seite über eine freie Länge /von 18 mm beweglich ist. Die Breite Ws des Zweielementkristalls 19 senkrecht zur Faserlängsrichtung beträgt auf der eingespannten Seite 26 mm. Das Wandlerelement wird zu seinem freien Ende hin zunehmend schmaler bis zu einer geringsten Breite w von 4 mm, s. Fig. 11. Davon wurden fünf Exemplare 1 bis 5 hergestellt.

Als Vergleichsbeispiel 2 wurden fünf ähnliche Exemplare 6 bis 10 hergestellt, deren piezoelektrische Platten den gleichen Aufbau wie bei den Exemplaren 1 bis 5 haben, bei denen jedoch die Elektrode 8 um dick ist und aus gebranntem Silber o.dgl. besteht.

Bei einer Vergleichsmessung wurden die so hergestellten Zweielementkristall-Exemplare 1 bis 10 mit einer Spitzenspannung V von 200 V bei einer Frequenz von 600 Hz beaufschlagt und die Auslenkung an ihrem freien Ende gemessen. Die Ergebnisse zeigt Teibelle 2.

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Sony S8ÜM53

Tabelle 2

Beispiel 1	Schwing.- Weite (mm)	Vergleichsbeispiel 2	484
Exemplar Nr.	650	Exemplar Nr. SchwingrWeite (mm)	477
1	714	6	472
2	644	7	460
, 3	656	8	484
4	711	9	475
5	677	10
Mittelwert χ	Mittelwert χ

Gemäß Tab . 2 hat das erfindungsgemäß ausgebildete Zweielementkristall gegenüber den Vergleichsbeispielen eine große Auslenkung. Die Verwendung einer Zwischenlage mit anisotropen Elastizitätsmoduli ermöglicht große Auslenkungswegc/ die jedoch durch ungünstige Elektroden beeinträchtigt werden können.

In Fig. 13 ist grafisch das Verhältnis zwischen der Elektrodendicke und dem Auslenkungsbetrag des Zweielementkristalls dargestellt, und zwar als Relativwert des Auslenkungsbetrages gegenüber dem herkömmlichen Zweielementkristall mit 8 um dicken Elektroden. Die Kurve 26 in Fig. 13 gilt für ein Zweielementkristall mit stromlos aufplattierter Ni-Elektrrode gemäß Beispiel 1 . Kurve 27 zeigt einen Dauerbetrieb dieses Zweielementkristalls über 500 Stunden mit einer Auslenkung von Spitze zu Spitze von

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5 00 μΐη unter einer entsprechenden Spannung (Freq.6 0Hz). Aus den Kurven 26 und 27 geht hervor, daß mit zunehmender Dicke der Elektrode 11 die Empfindlichkeit (Auslenkungsbetrag) kleiner wird, weil eine dickere Elektrode die Dehnung und Schrumpfung der piezoelektrischen Platte stärker behindert. Bei extrem dünner Elektrode, insbesondere unter 0,1 um findet eine zunehmende Auslenkungs-Abweichung statt; vermutlich deshalb, weil die Elektroden durch die zahlreichen Biegevorgänge der piezoelektrischen Platte ermüden und dann nicht mehr die Gesamtfläche der Platten mit der erforderlichen Spannung versorgen können. Daher sollte die Elektrodendicke mit Rücksicht auf die Empfindlichkeit kleiner als 3μπι, und mit Rücksicht auf die Aus lenkungsabweichung größer als 0,1 μΐη yewählt werden.

Der zu großer Auslenkung fähige erfindumj.sgemäße Zweielementkristall bzw. Wandler eignet sich beispielsweise gut als Servo-Nachführelement für den Magnetkopf eines Videogerätes. Schon bei einer niedrigen Spannung hat er die gleichen Auslenkungswerte wie ein herkömmlicher Wandler.

Da erfindungsgemäß die zweite Materialschicht oder Zwischenlage beispielsweise durch Eintauchen von Fasern wie Graphitfasern in ein Klebemittel hergestellt wird, erübrigt sich das beim Stand der Technik notwendige Zuführen von Kleber an den Wandler. Die Herstellung ist damit einfacher und billiger.

Da erfindungsgemäß ferner die nicht zu der gewünschten Auslenkung beitragende Verlagerung in der y-Richtung unterdrückt wird, besteht auch nicht die Gefahr der Entstehung von Rissen, auch wenn der Zweiclementkristall mit großer Auslenkungsamplitude arbeitet.

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Nachstehend wird eine zweite Ausführungsart der Erfindung beschrieben, zwischen deren aus ersten Materialien hergestellten und auf beiden Hauptflächen je eine Elektrode 11 tragenden zwei piezoelektrischen Platten 12 das zweite Material 13 angeordnet und integral damit verbunden ist. Diese Ausführungsart hat die Besonderheit, daß die auf den nach auBen gekehrten Hauptflächen beider piezoelektrischer Platten 12 angeordneten Elektroden 11 (nicht die dem zweiten Material 13 zugekehrten) mit einer elektrisch leitfähigen Harzschicht 14 als Farbauftrag belegt sind, in welchem 7 0. ■ bis 90 Gewichtsteile eines leitfähigen Pulvers wie Ag-Pulver in 30 bis 10 Gewichtsteilen eines Harzbindemittels wie Epoxy- oder Phenolharz gelöst und zu einer Schichtdicke von 5 bis 5 0 μΐη ausgehärtet sind. Der so beschaffene Zweielementkristall 15 ist damit auf der ganzen äußeren " Elektrode 11 beschichtet, ausgenommen jedoch eine Fläche, die einen Grenzbereich zwischen dem eingespannten Abschnitt und dem beweglichen Teil des Zweielementkristalls umfaßt.

Beispiel 2: Ähnlich wie bei Beispiel 1 sind zwei piezoelektrische Platten des ersten Materials aus Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik und mit. einer Dicke von 20.0 um auf beiden Hauptoberflächen zur Ausbildung der Elektroden 1T in einer Dicke von 1 um mit Ni plattiert, und darauf ist 0,1 um dick Au elektroplattiert. Zwischen den beiden piezoelektrischen Platten ist als Zwischenlage eine aus in Epoxyharz als Klebemittel eingetauchte und in einer Richtung verlaufende Graphitfasern enthaltende Graphitfaserschicht mit einer Dicke von 170 um eingebettet. Das Klebemittel wird unter Druck bei 120° bis 130° C drei Stunden lang ausgehärtet. Ein daraus hergestelltes Zweielement-Kristall-

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element von 25 mm χ 25 mm ist auf den beiden äußeren
Elektroden 11 der piezoelektrischen Platten mit einem
Farbauftrag versehen, der aus in 20 Gewichtsteilen
eines bei niedriger Temperatur aushärtenden Phenolharzes
gelösten 80 Gewichtsteilen Ag-Pulver besteht. Dieser
Belag härtet zwischen 100 bis 200⁰C, z.B. bei 130⁰C zu
einer elektrisch leitenden Harzschicht aus. Gemäß Fig.14
hat der hier mit 40 bezeichnete Zweielementkristall die
Abmessungen Ws = 26 mm, s = 7 mm, X = 20 mm und w = 3 mm
und eine elektrisch leitende Schicht 41. Sonstige Bezugsangaben entsprechen denen von Fig. 11.

Beispiel 3: Auf dem Beispiel 2 ähnlichen Zweielementkristall 40 befindet sich nur in der Nähe des Einspannbereiches die elektrisch leitfähige Schicht 41, s. Fig. 15.

Beispiel 4: Der gleiche Zweielementkristall 40 wie in

Beispiel 2 trägt überhaupt keine leitfähige Schicht 41.

In Fig. 16 ist grafisch dargestellt, bei welchen Amplituden von Spitze zu Spitze (Auslenkungsbeträge) der Zweielementkristalle aus Beispiel 2, 3 und 4 Risse in der Elektrode

11 auftreten; darauf beziehen sich die Säulen 29, 30 bzw. Fig. 16 zeigt, daß bei den Beispielen 2 und 3 Risse in der Elektrode 11 erst bei größeren Amplituden auftreten als bei dem keine Schicht 41 tragenden Zweielementkristall aus Beispiel 4. Folglich trägt die Erfindung zur Vermeidung von Rissen in der Elektrode 11 auch bei großen Auslenkungsstrecken bei, die Lebensdauer des Wandlers wird so wesentlich verlängert.

Die Auslenkungsbeträge für die Zweielementkristallelemente aus Beispiel 2, 3 und 4 sind in Fig. 16 durch schraffierte

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Säulen 31, 32 und 33 dargestellt. Danach sind die Auslenkungsbeträge und die Empfindlichkeit der Elemente in allen drei Beispielen 2 bis 4 annähernd gleich. Die Anwendung der leitfähigen Schicht 41 hat in dieser Beziehung fast keine Auswirkung auf die Empfindlichkeit des Zweielementkristalls, weil sie elastisch ist und die Auslenkung nicht behindert. Eine zu dicke Schicht 41 würde die Empfindlichkeit beeinträchtigen, und eine zu dünne Schicht wäre unwirksam. Deshalb wurde die Dicke der leitfähigen Schicht 41 zwischen 5 μΐη bis 50μΐη gewählt.

Fig. 17 zeigt den Zweielementkristall von Beispiel 4. Im gespannten Zustand ist nahe dem Befestigungsabschnitt des beweglichen Teils ein strichpunktiert angedeuteter Riß b entstanden.

In Fig. 18A ist die wellenförmige Auslenkung des Zweielementkristalls aus. Beispiel 4 ohne Riß, und in Fig. 18B die reduzierte Auslenkungsamplitude bei gleicher Spannung und gleicher Frequenz nach dem Entstehen eines Risses dargestellt. Zum Vergleich sind in Fig. 19A und 19B die 0 Auslenkungsamplituden eines Zweielementkristalls 4 0 gemäß Beispiel 2 der Erfindung aufgetragen. Hier zeigt sich, daß bei gleichem Signal ohne Riß oder mit Riß wenig Unterschied besteht, weil auch nach dem Auftreten eines Risses eine vorgegebene Signalspannung in entsprechende Teile des Zweielementkristalls gelangen kann, weil die vorhandene dünne elektrisch leitfähige Schicht 41 sehr elastisch ist und den Riß überbrückt.

Das Auftragungsmuster der leitfähigen Schicht 41 kann beliebig gewählt werden, beispielsweise gemäß Fiy. 20, wo die Schicht 41 mit einer Anzahl von öffnungen 34 durchsetzt ist

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oder gemäß Fig. 21 , wo die Schicht 41 aus einer Anzahl von sich vom eingespannten zum freien Ende des Zweielementkristalls 40 erstreckenden Streifen 35 besteht.

Somit können erfindungsgemäß durch Anwendung der elektrisch leitfähigen Harzschicht 41 entstehende Risse in den beiden äußeren Elektroden 11 wirksam unschädlich gemacht werden, selbst bei großen Auslenkungsbetragen des Elements bzw. der Elektroden 11. Damit werden Änderungen der Eigenschaften des ZweielementkrisLalls unterdrückt, und das Element bleibt auch nach einem entstandenen Riß oder Sprung praktisch brauchbar.

Da die auf die äußere Oberfläche des Zweielementkristalls aufgetragene leitfähige Harzschicht ~4"1 dessen Empfindlichkeit bei Schichtdicken zwischen 5 und 50 μη nur wenig beeinflußt, ist es möglich, durch Wahl der Schichtdicke von Schicht 41 die Empfindlichkeit zu justieren.

Wie schon erwähnt kann das erfindungsqemäße elcktromechanische Wandlerelement eine große Auslenkung erzeugen und ist damit als Servo-Nachführelement für einen Magnetkopf in z.B. einem Videogerät geeignet. Für die Auslenkung genügt eine relativ niedrige Spannung.

Bei Verwendung von in Klebemittel getränkten Fasern wie Graphitfasern als zweite Schicht oder Zwischenlage erübrigt sich ein besonderes Klebemittel auf der Zwischenlage wie beim Stand der Technik, und dadurch kann der Wandler billig hergestellt werden.

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Da erfindungsgemäß eine Auslenkung des elektromechanischen Wandlerelements in der nicht die gewünschte Auslenkung betreffenden y-Richtung unterdrückt wird, kann das Auftreten von Rissen o.dgl. im Element bei Betrieb mit Maximalamplitude verhindert werden.

Die Erfindung ist nicht nur auf die hauptsächlich ein Laminat aus zwei piezoelektrischen Platten bildenden beschriebenen elektromechanischen Wandlerelement beschränkt, sondern kann auch auf die verschiedensten an- -Q deren elektromechanischen Wandler mit Vorteil angewendet werden.

Abschließend sei bemerkt, daß es sich bei den in der Zwischenlage 4 bzw. zweiten Schicht 13 enthaltenen, als "Graphitfasern" bezeichneten Fasern allgemein um Kohlenstoffasern handelt.

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Claims

PATENTANWÄLTE 3 U 4 O

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER

Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter — Professional Representatives before the European Patent Office Mandatalres agreed pres !'Office europeen des brevets

Dlpl.-Chem. Dr. N. tar Meer Dipl -Ing. H, Steinmeister

Dipl.-Ing, F. E. Müller c.. . ., _

Triftstrasse 4, S.ekerwall 7,

D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD

S80P153 10. Dezember 1980

Mü/Gdt/Tß

SONY CORPORATION 7-35, Kitashinagawa, 6-chome, Shinagawa-ku, Tokyo, Japan

Elektromechanischer Wandler

Prioritäten: 12. Dezember 1979, Japan, Ser.Nr. 161198/79 10. Januar 1980, Japan, Ser.Nr. 1620/80

PATENTANSPRÜCHE

Elektromechanischer Wandler mit

- einer .ersten Schicht aus piezoelektrischem Material mit einem Young'sehen Modul (E) und zwei einander entgegengesetzten Hauptflächen, die mit einem Elektrodenpaar belegt sind_;und

- einer zweiten Schicht, die mit einer der Hauptflächen der ersten Schicht verankert ist,

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GRHvAL INSPECTED

TERMEER-MOLLER-STEINMEISTER . ..■ ."Sony SRO-FI 5-3

dadurch gekennzeichnet, daß

- die zweite Schicht (13) in einer Richtung einen Young¹sehen Modul (Ex) und in einer dazu senkrechten Richtung in der Ebene der Ilauptfläche einen Young'sehen Modul (Ey) aufweist, wobei die Young'sehen Moduli E, Ex, Ey so gewählt sind, daß die Beziehungen E>Ey und Ex > Ey befriedigt sind,

- die Schichten (12,13)entlang der einen erstgenannten Richtung fest eingespannt sind und

- die Elektroden (11) eine Schichtdicke zwischen 0,1 und 3 μπι aufweisen.
2. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer rinderen Hauptfläche der zweiten Schicht (13) eine dritte Schicht (12), die auf ihren entgegengesetzten Hauptflächen mit einem Elektrodenpaar (11) belegt ist, so verankert ist, daß die zweite Schicht sandwichartig zwischen der ersten und dritten Schicht (12,12) eingebettet ist.
3. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und dritte Schicht aus piezoelektrischen Keramiken hergestellt sind.
4. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht aus mit einem Klebemittel (16) imprägnierten und parallel zu der einen erstgenannten Richtung verlaufenden Kohlenstoffasern (15) zusammengesetzt ist, um Anisotropie hinsichtlich der Young'sehen Moduli zu erhalten.

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COPY

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5. Elektromechanischer Wandler nach einem der vorstehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die erste und dritte Schicht als je eine piezoelektrische Platte(12) aus piezoelektrischem Keramikmaterial und mit Beschichtungselektroden (11) auf ihren beiden Hauptflächen ausgebildet sind, und daß zwischen diesen beiden Platten eine Zwischenlage (4) verankert ist, die aus einem Anisotropie bezüglich der Young¹sehen Moduli aufweisenden Material besteht.
6. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenlage (4) eine Kohlenstoffaserschicht aus mehreren in einer gemeinsamen Richtung verlaufenden und in ein Epoxyharz eingebetteten Kohlenstoffasern (15) ist, die ihren größten Young¹sehen Modul parallel zu der Längsrichtung der Fasern und einen kleinsten Young¹sehen Modul senkrecht dazu hat.
7. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet, daß die beiden piezoelektrische) Platten aus Blei-Zirkonat-Titanat-Keramik geformt sind.
8. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode aus stromlos auf plattiertem Nickel besteht.
9. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die stromlos aufplattierte Nickelschicht mit einer Goldschicht überzogen ist.

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10. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Außenoberfläche der Elektrode (11) mit einer elektrisch leitenden Harzschicht (41) belegt ist.
11. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (41) eine zwischen 5 und 5 0 μΐη liegende Dicke hat.
12. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (41) aus einem elektrisch leitfähigcn Pulver und einem bei einer unter 2 00~° C liegenden Temperatur aushärtbaren Harzbinder zusammengesetzt ist.

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