DE3142684A1 - Electromechanical transducer - Google Patents
Electromechanical transducerInfo
- Publication number
- DE3142684A1 DE3142684A1 DE19813142684 DE3142684A DE3142684A1 DE 3142684 A1 DE3142684 A1 DE 3142684A1 DE 19813142684 DE19813142684 DE 19813142684 DE 3142684 A DE3142684 A DE 3142684A DE 3142684 A1 DE3142684 A1 DE 3142684A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- layers
- stack
- transducer
- layer
- thickness
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G11—INFORMATION STORAGE
- G11B—INFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
- G11B5/00—Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
- G11B5/48—Disposition or mounting of heads or head supports relative to record carriers ; arrangements of heads, e.g. for scanning the record carrier to increase the relative speed
- G11B5/58—Disposition or mounting of heads or head supports relative to record carriers ; arrangements of heads, e.g. for scanning the record carrier to increase the relative speed with provision for moving the head for the purpose of maintaining alignment of the head relative to the record carrier during transducing operation, e.g. to compensate for surface irregularities of the latter or for track following
- G11B5/584—Disposition or mounting of heads or head supports relative to record carriers ; arrangements of heads, e.g. for scanning the record carrier to increase the relative speed with provision for moving the head for the purpose of maintaining alignment of the head relative to the record carrier during transducing operation, e.g. to compensate for surface irregularities of the latter or for track following for track following on tapes
- G11B5/588—Disposition or mounting of heads or head supports relative to record carriers ; arrangements of heads, e.g. for scanning the record carrier to increase the relative speed with provision for moving the head for the purpose of maintaining alignment of the head relative to the record carrier during transducing operation, e.g. to compensate for surface irregularities of the latter or for track following for track following on tapes by controlling the position of the rotating heads
- G11B5/592—Disposition or mounting of heads or head supports relative to record carriers ; arrangements of heads, e.g. for scanning the record carrier to increase the relative speed with provision for moving the head for the purpose of maintaining alignment of the head relative to the record carrier during transducing operation, e.g. to compensate for surface irregularities of the latter or for track following for track following on tapes by controlling the position of the rotating heads using bimorph elements supporting the heads
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
- H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
- H10N30/2041—Beam type
- H10N30/2042—Cantilevers, i.e. having one fixed end
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/853—Ceramic compositions
- H10N30/8548—Lead based oxides
- H10N30/8554—Lead zirconium titanate based
Abstract
Description
EleKtromechanischer WandlerElectromechanical converter
Die Erfindung bezieht sich auf einen elextromechanischen Wandler mit 2n, aus einem piezoelextrischen oder elextrostrixtiven Material bestehenden, einen Stapel bildenden9 streifenförmigen, an ihren Hauptflächen mit Elektroden bedeckten Schichten, von denen jeweils n eine Stapelhälfte bildende Schichten beiderseits der Mitte des Stapels liegen, und mit Einrichtungen zum Zuführen von Spannungen an die EleKtroden zur Bildung von senicrecht zu den#Hauptflächen der Schichten stehenden elelctrischen Feldern.The invention relates to an elextromechanical converter 2n, made of a piezoelextric or elextrostrixtiven material, one Stack-forming 9 strip-shaped, covered with electrodes on their main surfaces Layers, each of which n layers forming a stack half on both sides in the middle of the stack, and with devices for supplying voltages to the electrodes for the formation of perpendicular to the # main surfaces of the layers electrical fields.
Wandler dieser Art können angewendet werden, z.B. bei der Erzeugung, Messung und Ermittlung von Schall, Stoß, Vibration, Druck usw. Es werden dabei elektrische Impulse in eine mechanische Auslenkung umgesetzt oder umgekehrt.Converters of this type can be used, e.g. in the generation, Measurement and determination of sound, shock, vibration, pressure, etc. They are electrical Impulse converted into a mechanical deflection or vice versa.
Es sind elektromechanische Wandler aus piezoelektrischem oder elextrostrixtivem Material bekannt (z.B. DE-OS 29 18 625 oder US-PS 24 84 950), die aus zwei aufeinandergeklebten Keramikstreifen bestehen. Solche Wandler in Bimorph-Konfiguration werden üblicherweise an einem Ende eingespannt-und werden durch Anlegen geeigneter Spannungen an ihrem freien Ende ausgelenkt und können so beispielsweise als Stellglied zum Nachsteuern von Videoköpfen bei magnetischer Videoaufzeichnung dienen.There are electromechanical transducers made of piezoelectric or elextrostrixtivem Material known (e.g. DE-OS 29 18 625 or US-PS 24 84 950), which consists of two glued together Ceramic strips are made. Such transducers in bimorph configuration are commonly clamped at one end - and are clamped by applying appropriate voltages to their deflected free end and can be used, for example, as an actuator for readjustment of video heads are used for magnetic video recording.
Die AuslenKung z solcher Wandler ist gegeben durch in der Formel bedeuten: A = Faktor von ca. 3; d31 = piezoelektrische Ladungskonstante; 1 = freie Länge des Wandlerkörpers; h = Gesamtdicke des Wandlerkörpers und U = die am Wandler anliegende Spannung. Ein derartiger Wandler gemäß dem Stand der Technik ist in Fig. 1 dargestellt.The deflection z of such transducers is given by in the formula: A = factor of approx. 3; d31 = piezoelectric charge constant; 1 = free length of the transducer body; h = total thickness of the transducer body and U = the voltage applied to the transducer. Such a converter according to the prior art is shown in FIG.
Ein Problem solcher Wandler ist, daß zum Erzielen geeigneter Auslenkungen im allgemeinen Spannungen im Bereich von 100 V benötigt werden. Eine Verringerung der Schichtdicken d der am Aufbau des Wandlerkörpers beteiligten einzelnen Schichten bzw. der Gesamtdicke h des Wandlerkörpers vergrößert zwar die Empfindlichkeit des Wandlers, d.h. mit kleineren Spannungen sind gleich große oder größere Auslenkungen erreichbar, da aber die an der freien Spitze des Wandlerkörpers wirksame Kraft F durch gegeben ist, worin bedeuten: B = Proportionalitätsfaktor, in dem u.a. die Breite des Wandlerkörpers enthalten ist; S11 = eine der Elastizitätskonstanten des verwendeten Materials; h = Gesamtdicke des WandlerKörpers; 1 = freie Länge des Wandlerkörpers und z = Empfindlichkeit des Wandlerkörpers, nimmt die ausnutzbare Kraft schneller ab als die Empfindlichkeit des Wandlers (z/U) verbessert wird.A problem with such transducers is that voltages in the region of 100 volts are generally required to achieve suitable deflections. A reduction in the layer thickness d of the individual layers involved in the construction of the transducer body or the total thickness h of the transducer body increases the sensitivity of the transducer, i.e. equal or larger deflections can be achieved with smaller voltages, but since the force acting at the free tip of the transducer body F through is given, where: B = proportionality factor, which includes the width of the transducer body, among other things; S11 = one of the elastic constants of the material used; h = total thickness of the transducer body; 1 = free length of the transducer body and z = sensitivity of the transducer body, the usable force decreases faster than the sensitivity of the transducer (z / U) is improved.
Eine Lösung dieses Problems wäre, daß die elektrisch wirksame Dicke d des Wandlerkörpers reduziert wird, ohne die mechanisch wirksame Dicke h des Wandlerkörpers zu verändern. Dazu müßten statt zwei Keramikstreifen 2n Keramikstreifen Ubereinandergelegtund in geeigneter Weise kontaktiert werden. Ein Wandlerzörper in einer derartigen Multimorph-Konfiguration ist in Fig. 2 dargestellt. Ein solcher Multimorph-Wandler hätte den Vorteil, daß im Vergleich zu einem Wandler in Bimorph-Konfiguration gleicher Gesamtdicke wesentlich geringere eleictrische Spannungen nötig sind, um die gleiche Auslenkung zu erzielen, die wirksamen mechanischen Stellkräfte jedoch gleich sind. Es darf jedoch nicht erwartet werden, daß die Empfindlichkeit z/U des Wandlers bei einer Anordnung mit 2n Schichten um einen Faktor n zunimmt. Dies liegt an der internen mechanischen Spannungsverteilung bei der Biegung eines solchen Wandlers; das Dehnungs-Schrumpfungs-Verhalten eines Bimorph-Wandlers ist in Fig. 3 dargestellt. Die Fig. 3 zeigt schematisch einen gebogenen Wandlerkörper in Bimorph-Konfiguration mit eingezeichneter neutraler Faser; die sich bei der Krümmung ergebende mechanische Dehnung in Abhängigkeit vom Abstand von der neutralen Faser ist mit den Pfeilen a eingezeichnet. An der Oberseite ist maximale Dehnung feststellbar, während an der Unterseite maximale Schrumpfung stattfindet. Ein Wandler in Multimorph-Konfiguration mit konstanter Dicke der einzelnen Schichten gibt bei elektrischer Ansteuerung mit gleicher Spannung pro Schicht gemäß Fig. 4 eine konstante Dehnung (vgl.One solution to this problem would be that the electrically effective thickness d of the transducer body is reduced without the mechanically effective thickness h of the transducer body to change. Instead of two ceramic strips, 2n ceramic strips would have to be laid one on top of the other be contacted in an appropriate manner. A transducer body in such a multimorph configuration is shown in FIG. Such a multimorph converter would have the advantage that compared to a transducer in a bimorph configuration of the same total thickness lower electrical voltages are required to achieve the same deflection, the effective mechanical actuating forces however are the same. It may however, it is not expected that the sensitivity z / U of the transducer will be at a Arrangement with 2n layers increases by a factor n. This is due to the internal mechanical stress distribution when bending such a transducer; the elongation-shrinkage behavior a bimorph converter is shown in FIG. Fig. 3 shows schematically a curved transducer body in bimorph configuration with drawn neutral fiber; the mechanical elongation resulting from the curvature as a function of the distance of the neutral fiber is indicated by the arrows a. At the top is maximum elongation can be determined, while maximum shrinkage takes place on the underside. A transducer in a multimorph configuration with a constant thickness of the individual layers gives with electrical control with the same voltage per shift according to FIG. 4 constant elongation (cf.
Pfeile a) vor, die nicht dem natürlichen Dehnungsverlauf bei Biegung entspricht. Daher müssen starke innere Scherspannungen auftreten, die zu Delamination der einzelnen Schichten führen können. Durch diese gegenseitige Hemmung der einzelnen Schichten ist die Empfindlichkeitszunahme kleiner als durch den Faktor n gegeben.Arrows a) in front, which do not correspond to the natural course of expansion when bending is equivalent to. Therefore, strong internal shear stresses must occur, which lead to delamination of the individual layers can lead. Through this mutual inhibition of the individual Layers, the increase in sensitivity is smaller than given by the factor n.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromechanischen Wandler in Multimorph-Konfiguration zu schaffen, bei dem die unerwünschten Auswirkungen der inneren mechanischen Scherspannungen zwischen den ein zelnen Schichten des Wandlerkörpers auf ein Mindestmaß reduziert sind.The invention is based on the object of an electromechanical To create converters in multimorph configuration, in which the undesirable effects the internal mechanical shear stresses between the individual layers of the transducer body are reduced to a minimum.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dicke der Schichten jeder Stapelhäfte von der Mitte des Stapels her nach außen hin abnimmt und daß die Schichten beider Stapelhälften, die in gleichem Abstand zur Mitte des Stapels liegen, gleiche Dicke aufweisen Der-Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Auswirkung der inneren Scherspannungen zwischen den einzelnen, den Wandlertörper eines Wandlers in Multimorph-Konfiguration bildenden Schichten dadurch minimiert werden können, daß die Schichtdicke der einzelnen Schichten des Wandlerkörpers nicht konstant gehalten wird, sondern so angepaßt wird, daß die mittlere Dehnung pro Schicht gerade der natürlichen Dehnung bei Biegung entspricht. Hierzu wird auf Fig. 5 hingewiesen, in der mit den Pfeilen a dargestellt ist, wie die mittlere Dehnung pro Schicht gerade der natürlichen Dehnung bei Biegung entspricht.This object is achieved in that the thickness of the Layers of each half of the stack decreases from the center of the stack outwards and that the layers of both halves of the stack, which are equidistant from the center of the Stack lie, have the same thickness The invention lies in the Based on the knowledge that the effect of the internal shear stresses between the individual, forming the transducer body of a transducer in a multimorph configuration Layers can be minimized by increasing the thickness of the individual layers of the transducer body is not kept constant, but is adjusted so that the mean elongation per layer exactly corresponds to the natural elongation when bending. For this purpose, reference is made to FIG. 5, in which the arrows a show how the mean elongation per layer corresponds to the natural elongation when bent.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Schichtdicke der n-ten Schicht dn ausgehend von der neutralen Faser, die sich immer automatisch einstellt und geometrisch in der Mitte zwischen dem Bereich der maximalen Dehnung und der maximalen Schrumpfung liegt, gegeben durch: wobei n den Laufindex der Schichten, also die n-te Schicht, bezeichnet, und d1 die Schichtdicke der dicksten Schicht bedeutet.According to a further embodiment of the invention, the layer thickness of the n-th layer dn is given by: where n denotes the running index of the layers, i.e. the nth layer, and d1 denotes the layer thickness of the thickest layer.
Bei Wahl der Schichtdicken gemäß dieser Beziehung ergibt sich vorteilhaft, daß die Empfindlichkeit z/U gegenüber einem Biegeelement mit gleicher Gesamtlicke n und gleicher Länge 1, Jedoch gleichmäßiger Schichtdicke um den Faktor n erhöht wird; dabei ist das Auftreten von Scherspannungen zwischen den einzelnen Schichten minimiert.If the layer thicknesses are selected according to this relationship, it is advantageous that that the sensitivity z / U to a bending element with the same overall thickness n and the same length 1, but with a uniform layer thickness increased by a factor of n will; this includes the occurrence of shear stresses between the individual layers minimized.
Nach weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist der aus den streifenförmigen Schichten gebildete Stapel an seinem einen Ende in einer Halterung fixiert, wobei die freie Länge des Stapels senkrecht zu seinen Hauptflächen auslenkbar ist; das Verhältnis von freier Länge zu Gesamtdicke des Stapels beträgt vorteilhafterweise 5 : 1 bis 100 : 1.According to further advantageous embodiments of the invention is the formed from the strip-shaped layers stack at its one end in a Bracket fixed, with the free length of the stack perpendicular to its Main surfaces is deflectable; the ratio of the free length to the total thickness of the stack is advantageously 5: 1 to 100: 1.
Nach weiteren Ausgestaltungen der Erfindung bestehen die streifenförmigen Schichten aus einem Material, dessen Wert für die piezoelektrische Ladungskonstante d31 min destens 150 ~ 10-12 m/V beträgt; insbesondere bestehen die streifenförmigen Schichten aus einer ferroelektrischen Mischkristallkeramik auf der Basis von Pb1 a worin bedeuten: M = mindestens ein Erdalkalimetall wie Ca, Sr9 Ba O k a # 0,15 o < b < 0,20 0,01 # x < 0,25 0,40 < y < 0,55 0,20 # z < 0,59 x+y+z = 1 Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch Anpassung der Schichtdicken der einzelnen Schichten eines elektromechanischen Wandlers in Multimorph-Konfiguration an den internen mechanischen Spannungsverlauf verbesserte Empfindlichkeitswerte erzielbar sind.According to further embodiments of the invention, the strip-shaped Layers of a material whose value represents the piezoelectric charge constant d31 is at least 150 ~ 10-12 m / V; in particular, the strip-shaped Layers of a ferroelectric mixed crystal ceramic based on Pb1 a where: M = at least one alkaline earth metal such as Ca, Sr9 Ba O k a # 0.15 o <b <0.20 0.01 # x <0.25 0.40 <y <0.55 0.20 # z <0.59 x + y + z = 1 The advantages achieved by the invention are in particular that through Adaptation of the layer thicknesses of the individual layers of an electromechanical transducer in a multimorph configuration to the internal mechanical stress curve Sensitivity values are achievable.
Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben und in ihrer Wirkungsweise dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 elektromechanischer Wandler in Bimorph-Konfiguration nach dem Stand der Technik, Fig. 2 elektromechanischer Wandler in Multimorph-Konfiguration nach dem Stand der Technik, Fig. 3 elektromechanischer Wandler in Bimorph-Konfiguration nach dem Stand der Technik in gebogenem Zustand, Fig. 4 Dehnungsverhalten-eines Wandlers in Multimorph-Konfiguration gemäß dem Stand der Technik bei Ansteuerung mit gleicher Spannung pro Schicht, Fig. 5 Darstellung der mittleren Dehnung pro Schicht im Verhältnis zur natürlichen Dehnung bei Biegung bei einem Wandlerkörper in Multimorph-Konfiguration gemäß der Erfindung, Fig. 6 einen elektromechanischen Wandler in Multimorph-Konfiguration gemäß der Erfindung, Fig. 7 Empfindlichkeit eines Wandlers in Multimorph-Konfiguration gemäß der Erfindung im Vergleich zu der eines Wandlers in Bimorph-Konfiguration gemäß dem Stand der Technik, aufgetragen über der angelegten elektrischen Spannung U/V.An exemplary embodiment of the invention is described with reference to the drawing and shown in their mode of operation. They show: FIG. 1 an electromechanical converter in the bimorph configuration according to the prior art, Fig. 2 electromechanical Transducer in multimorph configuration according to the prior art, Fig. 3 electromechanical State-of-the-art transducer in a bimorph configuration in a bent state, 4 shows the expansion behavior of a transducer in a multimorph configuration according to the prior art the technology with control with the same voltage per layer, Fig. 5 representation the mean elongation per layer in relation to the natural elongation when bent for a transducer body in a multimorph configuration according to the invention, FIG. 6 an electromechanical transducer in multimorph configuration according to the invention, Fig. 7 sensitivity of a transducer in multimorph configuration according to the invention compared to that of a transducer in a bimorph configuration according to the prior art Technology, plotted against the applied electrical voltage U / V.
In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel eines Wandlers mit einem aus streifenförmigen Schichten 1, 1', 2, 2', 3 und 3' aufgebauten Wandlerkörper 5 mit einer Verdrahtung der einzelnen Schichten dargestellt. Die Pfeile 7 in den Schichten 1, 1' bis 3, 3' heben die Polarisationsrichtungen an. Die beiden Stapelhälften des Wandlerkörpers gemäß den Schichten 1, 2, 3 und 1', 2', 3' liegen in Parallelschaltung an einer nicht dargestellten Spannungsquelle.In Fig. 6 is an embodiment of a transducer with an off strip-shaped layers 1, 1 ', 2, 2', 3 and 3 'constructed transducer body 5 with a wiring of the individual layers shown. The arrows 7 in the layers 1, 1 'to 3, 3' raise the polarization directions. The two stack halves of the The transducer body according to layers 1, 2, 3 and 1 ', 2', 3 'are connected in parallel at a voltage source, not shown.
Dieser Schaltung entsprechend verläuft die elektrische Feldstärke in den Schichten 1', 2', 3' z.B. in Richtung der Polarisation der einzelnen Schichten und in den Schichten 1, 2, 3 entgegengesetzt der Richtung der Polarisation in den einzelnen Schichten. Der Pfeil 11 gibt die Richtung der Feldstärke an; dementsprechend ergibt sich für die einzelnen Schichten 1, 1' bis 3, 3 eine Richtung der Feldstärke gemäß den Pfeilen 8.The electric field strength runs according to this circuit in layers 1 ', 2', 3 'e.g. in the direction of the polarization of the individual layers and in layers 1, 2, 3 opposite to the direction of polarization in the individual layers. The arrow 11 indicates the direction of the field strength; accordingly a direction of the field strength results for the individual layers 1, 1 'to 3, 3 according to the arrows 8.
Mit 9 ist eine Halterung zum einseitigen Fixieren des aus den Schichten 1, 1' bis 3, 3' gebildeten Wandlerkörpers 5 dargestellt. Die freie Länge des Wandlerkörpers beträgt 12 mm, die Schichtdicken der einzelnen Schichten sind in der Figur angegeben, sie betragen 320 1um (Schichten 1, 1'), 130 /um (Schichten 2, 2') und 100 lum (Schichten 3, 3').With 9 is a holder for one-sided fixing of the layers 1, 1 'to 3, 3' formed transducer body 5 is shown. The free length of the transducer body is 12 mm, the layer thicknesses of the individual layers are indicated in the figure, they are 320 lum (layers 1, 1 '), 130 / um (layers 2, 2') and 100 lum (layers 3, 3 ').
Wenn die zur Berechnung der einzelnen Schichtdicken oben angegebene Formel angewendet wird, ergeben sich als exakte Werte für die Schichten geringe Abweichungen; wenn die Schichten größter Dicke 1, 1' mit 320 lum angenommen werden, ergäben sich als exakte Werte für die Schichten 2, 2' = 131,2 jum und für die Schichten 3, 3' = 102,4 ~um. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel wurden diese Werte aus fertigungstechnischen Gründen auf 130 /um respektive 100 jum abgerundet.If the formula given above for calculating the individual layer thicknesses is applied, the exact values for the layers result in slight deviations; if the layers of greatest thickness 1, 1 'are assumed to be 320 lum, the exact values would result for layers 2, 2' = 131.2 μm and for layers 3, 3 '= 102.4 μm. In the exemplary embodiment described here, these values have been rounded off to 130 μm and 100 μm, respectively, for manufacturing reasons.
In Fig. 6 sind die einzelnen Schichten 1, 1' bis 3, 3 mit unterschiedlicher Länge dargestellt. Dies ist erforderlich, um freien Platz für die Elektrodenanschlüsse zu erhalten; das freie, nicht in der Halterung 9 fixierte Ende des Wandlerkörpers 5 hat zweckmäßigerweise bündige Schichten 1, 1' bis 3, 3'.In Fig. 6, the individual layers 1, 1 'to 3, 3 are different Length shown. This is necessary to free space for the electrode connections to obtain; the free end of the transducer body that is not fixed in the holder 9 5 expediently has flush layers 1, 1 'to 3, 3'.
In Abhängigkeit von der angelegten Spannung wurde die Empfindlichit am Ende des Elementes gemessen und gemäß der multipliziert, um eine von der Geometrie unabhängige Vergleichsgröße zu erhalten. Die gleichen Messungen wurden mit einem Bimorph-Wandler nach dem Stand der Technik gemacht und es wurde ebenfalls die Empfindlichkeit z ~ h h2/l2 über der angelegten Spannung bestimmt. Die geometrieunabhängige Empfindlichkeit z des Wandlers ist über der angelegten Spannung in Fig. 7 dargestellt. In der Formel bedeuten z = Empfindlichkeit des Wandlerkörpers; h = Gesamtdicke des Wandlerkörpers; 1 = freie Länge des Wandlerkörpers und U = angelegte Spannung.The sensitivity at the end of the element was measured as a function of the applied voltage and according to FIG multiplied to obtain a comparison value that is independent of the geometry. The same measurements were made with a bimorph transducer according to the state of the art and the sensitivity z ~ h h2 / l2 over the applied voltage was also determined. The geometry-independent sensitivity z of the transducer is shown as a function of the applied voltage in FIG. In the formula, z = sensitivity of the transducer body; h = total thickness of the transducer body; 1 = free length of the transducer body and U = applied voltage.
Es ergibt sich, daß die Vielschichtanordnung mit angepaßter Dicke der streifenförmigen Schichten des Wandlerkörpers tatsächlich Auslenkungswerte zeigt, die nahe der theoretisch zu erwartenden Kurve liegen, die bei 2 x 3 Schichten um einen Faktor 3 größer sein soll als für einen Wandler in Bimorph-Konfiguration. Daß die gemessenen Werte sogar höher liegen als erwartet, kann an dem stärkeren nichtlinearen Verhalten des Multimorph-Wandlers liegen, da die Feldstärkenwerte innerhalb der äußeren Schichten bei gleicher Spannung deutlich größer waren als bei dem Bimorph-Wandler.It results that the multilayer arrangement with an adapted thickness of the strip-shaped layers of the transducer body actually shows deflection values, which are close to the theoretically expected curve, those around 2 x 3 layers should be a factor of 3 larger than for a converter in bimorph configuration. That the measured values are even higher than expected can be due to the stronger one non-linear behavior of the multimorph converter, because the field strength values within the outer layers were significantly larger than at the bimorph converter.
Der Wandlerkörper 5 mit den Schichten 1, 1' bis 3, 3' soll aus einem ferroelektrischen keramischen Material bestehen, dessen Wert für die piezoelektrische Ladungskonstante d31 mindestens 150 ~ 1Q 1210-12 m/V beträgt. Derartige keramische Materialien sind käuflich erhältlich und z.B. in der EP-OS 00 19 337 ausführlich beschrieben.The transducer body 5 with the layers 1, 1 'to 3, 3' should consist of one ferroelectric ceramic material exist, its value for the piezoelectric Charge constant d31 is at least 150 ~ 1Q 1210-12 m / V. Such ceramic Materials are available for sale and are detailed, for example, in EP-OS 00 19 337 described.
Für das hier beschriebene Ausführungsbeispiel wurde eine Keramische Masse der Formel Po 95 Sr0,05 (Mg1/3 Sb2,3)0,15 Tio, 45 Zr0,40 3 verwendet, wobei der Wandlerkörper mit den Schichten 1, 1 bis 3, 3 auf folgende Weise hergestellt wurde: Das keramische Ausgangsmaterial wurde trocken ohne Zusatz von Bindemitteln verpreßt und bei einer Temperatur von 8500C in Sauerstoff 2 h vorgesintert. Anschließend wurde ein Scharfbrand bei einer Temperatur von ca. 1200°C mit einer Dauer in der Größenordnung von ca. 45 min ausgeführt. Aus den Sinterkörpern wurden anschließend mittels mechanischer Bearbeitung (z.B. Sägen, Polieren) Körper mit den Abmessungen von 22 mm Länge x 7 mm Breite x 320 bis 100 /um Dicke hergestellt. Auf den Hauptflächen der so vorbereiteten Körper wurden Elektroden, hier beispielsweise aus Gold, durch Aufdampfen angebracht. Die Elextro den, die vorzugsweise einen ohmschen Kontakt bilden müssen, können Jedoch aus beliebigen, für Elektroden geeigneten Metallen oder Legierungen, wie Silber, Nickel oder Nickel-Chrom-Legierungen, bestehen. Die Elektrodenschichten können z.B. auch durch Aufspritzen oder Siebdrucken einer Paste mit anschließender Wärmebehandlung oder durch stromolose Abscheidung aus einem Metallbad auf gleiche Weise erhalten werden. A ceramic was used for the exemplary embodiment described here Mass of the formula Po 95 Sr0.05 (Mg1 / 3 Sb2.3) 0.15 Tio, 45 Zr0.40 3 used, where the transducer body with the layers 1, 1 to 3, 3 produced in the following way was: The ceramic starting material became dry without the addition of binders pressed and pre-sintered at a temperature of 8500C in oxygen for 2 hours. Afterward was a sharp fire at a temperature of about 1200 ° C with a duration in the Executed in the order of approx. 45 min. The sintered bodies then became by means of mechanical processing (e.g. sawing, polishing) bodies with the dimensions 22 mm long x 7 mm wide x 320 to 100 / µm thick. On the main surfaces Electrodes, here made of gold, for example, were placed on the bodies prepared in this way Evaporation attached. The Elextro, which preferably has an ohmic contact However, they can be made of any metal suitable for electrodes or alloys such as silver, nickel or nickel-chromium alloys exist. the Electrode layers can also be created, for example, by spraying or screen printing a paste with subsequent heat treatment or by electroless deposition from a metal bath can be obtained in the same way.
Um einen WandlerKörper mit den Schichten 1, 1' bis 3, 3e zu erhalten, wurden Jeweils 6 der oben beschriebenen Sinterkörper, nämlich Jeweils Sinterkörper der Abmessungen 22 mm x 7 mm x 320 /um, 22 mm x 7 mm x 130 jum und 22 mm x 7 mm x 100 1um mittels einer Kunstharzkleberschicht derart fest miteinander verbunden, daß die Sinterkörper größter Dicke benachbart in der Mitte des Stapels, die Sinterkörper kleinster Dicke Jeweils an den Außenseiten des Stapels liegen. Die kraftschlüssige Verbindung der die Schichten 1, 1' bis 3, 3' des# Wandlerkörpers 5 bildenden Sinterkörper kann im Rahmen des fachmännischen Handels jedoch auf beliebige andere Weise erfolgen. Die Elektrodenschichten wurden durch mittels Thermokompression befestigte Golddrähte elektrisch miteinander verbunden.To get a transducer body with layers 1, 1 'to 3, 3e, 6 each of the above-described sintered bodies, namely each sintered body of dimensions 22 mm x 7 mm x 320 / um, 22 mm x 7 mm x 130 mm and 22 mm x 7 mm x 100 1um firmly connected to one another by means of a synthetic resin adhesive layer, that the sintered bodies of greatest thickness are adjacent in the middle of the stack, the sintered bodies smallest thickness each to the On the outside of the stack. The positive connection of the layers 1, 1 'to 3, 3' of the # transducer body 5 forming sintered body can, however, within the framework of professional trade on any done in another way. The electrode layers were through by means of thermocompression attached gold wires electrically connected to each other.
Die Polarisation der Schichten 1, 1 bis 3, 3' erfolgte jeweils vor dem Zusammenkleben der Schichten entsprechend der gewünschten Polarisationsrichtung mit einer Feldstärke von 2,5 MV/m 10 min bei einer Temperatur von 1200C Die Gesamtdicke des Wandlerkörpers 5 betrug bei diesem Ausführungsbeispiel 1,2 mm, davon sind ca. 100 /um Klebefugen. Die freie Länge des Wandlerkörpers betrug 12 mm, die Breite 7 mm.The layers 1, 1 to 3, 3 'were each polarized before gluing the layers together according to the desired direction of polarization with a field strength of 2.5 MV / m 10 min at a temperature of 1200C The total thickness of the transducer body 5 was 1.2 mm in this embodiment, of which approx. 100 / um adhesive joints. The free length of the transducer body was 12 mm, the width 7 mm.
Für die Herstellung des Keramischen Wandlerkörpers gemäß der Erfindung sind außer der genannten ferroelektrischen keramischen Masse alle ferroelektrischen keramischen Massen mit einer piezoelektrischen Ladungskonstanten d31 von von >150~ 10 -12 miV ebenso geeignet.For the production of the ceramic transducer body according to the invention Except for the aforementioned ferroelectric ceramic mass, all are ferroelectric ceramic masses with a piezoelectric charge constant d31 of> 150 ~ 10 -12 miV is also suitable.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19813142684 DE3142684A1 (en) | 1981-10-28 | 1981-10-28 | Electromechanical transducer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE19813142684 DE3142684A1 (en) | 1981-10-28 | 1981-10-28 | Electromechanical transducer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE3142684A1 true DE3142684A1 (en) | 1983-05-05 |
Family
ID=6144995
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19813142684 Withdrawn DE3142684A1 (en) | 1981-10-28 | 1981-10-28 | Electromechanical transducer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE3142684A1 (en) |
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3434726A1 (en) * | 1983-09-22 | 1985-04-18 | Murata Manufacturing Co., Ltd., Nagaokakyo, Kyoto | PIEZOELECTRICAL ELEMENT |
| DE3518055A1 (en) * | 1984-05-21 | 1985-11-21 | Murata Manufacturing Co., Ltd., Nagaokakyo, Kyoto | Piezoelectric actuation device having two crystal plate regions |
| DE3821368A1 (en) * | 1988-06-24 | 1989-12-28 | Audi Ag | VIBRATION DAMPING AND VIBRATION COMPENSATING BEARING ARRANGEMENT |
| EP0516175A2 (en) * | 1991-05-31 | 1992-12-02 | Rockwell International Corporation | Twisting actuators |
| DE4303424A1 (en) * | 1992-02-06 | 1993-08-12 | Murata Manufacturing Co | Piezoelectric bimorph actuator e.g. for camera shutter - has piezoceramic plates secured to both sides of alloy electrode plate with thicknesses chosen in relation to elastic moduli |
| US5410205A (en) * | 1993-02-11 | 1995-04-25 | Hewlett-Packard Company | Ultrasonic transducer having two or more resonance frequencies |
| EP0784349A1 (en) * | 1996-01-11 | 1997-07-16 | Wac Data Services Co. Ltd. | Stacked piezoelectric actuator |
| EP0993055A2 (en) * | 1998-09-18 | 2000-04-12 | Seiko Instruments Inc. | Piezoelectric actuator and electronic apparatus with piezoelectric actuator |
| EP1089357A2 (en) * | 1999-10-01 | 2001-04-04 | Ngk Insulators, Ltd. | Piezoelectric/electrostrictive device and method of manufacturing same |
| WO2003003478A2 (en) * | 2001-06-27 | 2003-01-09 | Siemens Aktiengesellschaft | Piezoelectrical bending converter |
| US6915547B2 (en) | 1999-10-01 | 2005-07-12 | Ngk Insulators, Ltd. | Piezoelectric/electrostrictive device and method of manufacturing same |
| US7164221B1 (en) | 1999-10-01 | 2007-01-16 | Ngk Insulators, Ltd. | Piezoelectric/electrostrictive device and method of manufacturing same |
| EP2126992B1 (en) * | 2007-01-23 | 2015-03-04 | Epcos AG | Piezoelectric component |
| US10241500B2 (en) | 2015-08-10 | 2019-03-26 | Buerkert Werke Gmbh | Film transducer and actuator strip for a film transducer |
-
1981
- 1981-10-28 DE DE19813142684 patent/DE3142684A1/en not_active Withdrawn
Cited By (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3434726A1 (en) * | 1983-09-22 | 1985-04-18 | Murata Manufacturing Co., Ltd., Nagaokakyo, Kyoto | PIEZOELECTRICAL ELEMENT |
| DE3518055A1 (en) * | 1984-05-21 | 1985-11-21 | Murata Manufacturing Co., Ltd., Nagaokakyo, Kyoto | Piezoelectric actuation device having two crystal plate regions |
| DE3821368A1 (en) * | 1988-06-24 | 1989-12-28 | Audi Ag | VIBRATION DAMPING AND VIBRATION COMPENSATING BEARING ARRANGEMENT |
| EP0516175A2 (en) * | 1991-05-31 | 1992-12-02 | Rockwell International Corporation | Twisting actuators |
| EP0516175A3 (en) * | 1991-05-31 | 1993-02-03 | Rockwell International Corporation | Twisting actuators |
| DE4303424A1 (en) * | 1992-02-06 | 1993-08-12 | Murata Manufacturing Co | Piezoelectric bimorph actuator e.g. for camera shutter - has piezoceramic plates secured to both sides of alloy electrode plate with thicknesses chosen in relation to elastic moduli |
| DE4303424C3 (en) * | 1992-02-06 | 2001-03-29 | Murata Manufacturing Co | Strip-shaped piezoelectric actuator of the bimorph type |
| US5410205A (en) * | 1993-02-11 | 1995-04-25 | Hewlett-Packard Company | Ultrasonic transducer having two or more resonance frequencies |
| EP0784349A1 (en) * | 1996-01-11 | 1997-07-16 | Wac Data Services Co. Ltd. | Stacked piezoelectric actuator |
| US6720711B2 (en) | 1998-09-18 | 2004-04-13 | Seiko Instruments Inc. | Piezoelectric actuator, ultrasonic motor equipped with piezoelectric actuator, and electronic apparatus equipped with piezoelectric actuator |
| EP0993055A2 (en) * | 1998-09-18 | 2000-04-12 | Seiko Instruments Inc. | Piezoelectric actuator and electronic apparatus with piezoelectric actuator |
| EP0993055A3 (en) * | 1998-09-18 | 2002-05-02 | Seiko Instruments Inc. | Piezoelectric actuator and electronic apparatus with piezoelectric actuator |
| EP1089357A2 (en) * | 1999-10-01 | 2001-04-04 | Ngk Insulators, Ltd. | Piezoelectric/electrostrictive device and method of manufacturing same |
| EP1089357A3 (en) * | 1999-10-01 | 2005-03-09 | Ngk Insulators, Ltd. | Piezoelectric/electrostrictive device and method of manufacturing same |
| US6915547B2 (en) | 1999-10-01 | 2005-07-12 | Ngk Insulators, Ltd. | Piezoelectric/electrostrictive device and method of manufacturing same |
| US7164221B1 (en) | 1999-10-01 | 2007-01-16 | Ngk Insulators, Ltd. | Piezoelectric/electrostrictive device and method of manufacturing same |
| US7336021B2 (en) | 1999-10-01 | 2008-02-26 | Ngk Insulators, Ltd. | Piezoelectric/electrostrictive device and method of manufacturing same |
| WO2003003478A3 (en) * | 2001-06-27 | 2003-08-21 | Siemens Ag | Piezoelectrical bending converter |
| WO2003003478A2 (en) * | 2001-06-27 | 2003-01-09 | Siemens Aktiengesellschaft | Piezoelectrical bending converter |
| US7336022B2 (en) | 2001-06-27 | 2008-02-26 | Siemens Aktiengesellschaft | Piezoelectrical bending converter |
| EP2126992B1 (en) * | 2007-01-23 | 2015-03-04 | Epcos AG | Piezoelectric component |
| US10241500B2 (en) | 2015-08-10 | 2019-03-26 | Buerkert Werke Gmbh | Film transducer and actuator strip for a film transducer |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE3434726C2 (en) | ||
| DE4202650C2 (en) | Piezoelectric bimorph device and method for driving a piezoelectric bimorph device | |
| DE3142684A1 (en) | Electromechanical transducer | |
| DE2653406A1 (en) | PIEZOELECTRIC CERAMIC MATERIALS | |
| CH703051A2 (en) | Coil spring for a movement and method of manufacture. | |
| WO2001078160A1 (en) | Piezoceramic bending transducer and use thereof | |
| EP0109120B1 (en) | Ceramic bistable flexure device | |
| DE102004031404A1 (en) | Piezoelectric component e.g. piezoelectric actuator, for use in automotive engineering, has body with breaking point that leads to formation of split in body, where component controls and limits split formation and expansion by using point | |
| WO2009033949A1 (en) | Information processor and method for the production thereof | |
| EP1124265A2 (en) | Piezoelectric ceramic device with silver containing internal electrodes | |
| DE2361131A1 (en) | RESONATOR | |
| DE1466152B2 (en) | BIMORPHIC PIEZOELECTRIC FLEXIBLE VIBRATOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME | |
| DE2607837C2 (en) | Multi-layer interdigital transducer for surface acoustic waves | |
| EP0542772B1 (en) | Bonding of a piezo-electric bending transducer | |
| DE602004009987T2 (en) | Piezoelectric device and method of manufacturing a piezoelectric device | |
| EP1186062A1 (en) | Piezoelectric flexional transducer | |
| DE19506338C2 (en) | Piezoelectric measuring element | |
| DE3225215C2 (en) | ||
| DE69825512T2 (en) | Method for producing a component with a functional layer | |
| DE19520796A1 (en) | Piezoelectric bending transducer | |
| DE102011005249A1 (en) | Device for converting mechanical energy into electrical energy for autonomous power supply of e.g. electronic components of electric circuit of electrical device, has moving element with membrane whose side includes concave and convex areas | |
| EP0637089B1 (en) | Method of making PZT layers | |
| DE2938542C2 (en) | Signal feed arrangement for a surface acoustic wave component | |
| DE102015226233A1 (en) | Bending transducer and method for its production and its operation | |
| DE102007004893B4 (en) | Piezoelectric multilayer actuator and method for its production |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |