DE68910062T2

DE68910062T2 - Piezoelektrischer Wandler.

Info

Publication number: DE68910062T2
Application number: DE89308665T
Authority: DE
Inventors: Kohji Ogura
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1988-09-07
Filing date: 1989-08-25
Publication date: 1994-02-10
Anticipated expiration: 2009-08-26
Also published as: EP0358390A2; EP0358390B1; JP2732128B2; JPH02181621A; DE68910062D1; EP0358390A3

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Wandler, der auf einen mechanischen Druck hin ein elektrisches Signal gibt. Sie betrifft insbesondere längliche piezoelektrische Wandler, die ein piezoelektrisches Langelement in Form eines Koaxialkabels besitzen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung solcher Wandler.
Längliche piezoelektrische Wandler werden bekanntlich quer auf eine Straße gelegt, so daß die Fahrt eines Autos über den Wandler erfaßt werden kann. Ein bekannter Wandler ist in Fig. 7 gezeigt. Darin steht die Bezugsziffer 11 allgemein für den Wandler. Dieser besitzt ein gerades Koaxialkabel-artiges piezoelektrisches Element 12, das von einer Urethanharzschicht 16 umgeben ist. Das Element 12 setzt sich zusammen aus einer Kernelektrode 13, einer äußeren Elektrodenschicht 15 sowie einer piezoelektrischen Schicht 14, die zwischen der Kern- 13 und der Außenelektrode 15 angebracht ist. Für die piezoelektrische Schicht 14 werden üblich ferroelektrische Keramikpartikel (beispielsweise Bleititanat/Bleizirkonat oder Bleititanat) verwendet, die in einer Matrix aus synthetischem Gummi oder Elastomer dispergiert sind. Ein derartiger Wandler ist in der FR-A-2 373 784 offenbart.
Der obige Wandler 11 wird üblich in einem Gießverfahren mit Hilfe einer Gußform 17 (siehe Fig. 8) hergestellt. Dabei wird das piezoelektrische Element 12 in einer Vertiefung 18 der Form 17 angeordnet und an seinen beiden Enden durch Öffnungen 20, die sich in den gegenüberliegenden Seitenverschlußplatten 19 befinden, durchgesteckt. Nach dem Verschließen der Platten 19 (siehe Fig. 9(a)) wird in die Guß formvertiefung 18 Gießharz 16 gegossen und dieses bei erhöhter Temperatur, bspw. bei 60ºC (Fig. 9(b)), gehärtet. Dann wird das gehärtete Harz auf Raumtemperatur abgekühlt, so daß eine Isolierschicht 16 um das piezoelektrische Element 12 (Fig. 9, 10) erhalten wird. Da das Harz beim Kühlen schrumpft, kann ein Spalt 22 zwischen dem jeweiligen Ende der Isolationsharzschicht 16 und der dazu benachbarten Verschlußplatte 19 entstehen.
Es wurde nun gefunden, daß der besagte piezoelektrische Wandler 11 gerne ausfällt. Der Grund ist ein Kurzschluß zwischen der Kernelektrode 13 und der Außenelektrode 15 des piezoelektrischen Elements 12. Die Untersuchungen der Erfinder ergaben, daß der Kurzschluß dadurch hervorgerufen wird, daß bei der Herstellung des piezoelektrischen Wandlers 11 die Kernelektrode 13 durch das Schrumpfen der Harzschicht 16 gebogen wird.
Die linearen Expansionskoeffizienten für rostfreien Stahl, der üblich für die Herstellung der Kernelektrode 13 verwendet wird, sowie für Polyurethan, das zur Herstellung der lsolierharzschicht 16 dient, sind nämlich 10&supmin;&sup5; bzw. 10&supmin;&sup4; cm/cm/ºC. Sinkt die Temperatur von 60ºC (der Härtetemperatur) auf 20ºC (der Raumtemperatur), schrumpft die Polyurethanschicht 16 um 0,4 %, die Kernelektode 13 hingegen um 0,04 %. Der Unterschied in der Schrumpfung und die Länge des Wandlers haben zur Folge, daß die Kernelektrode 13, wie in Fig. 10 gezeigt, in einem Abschnitt 23 gebogen wird. Der gebogene Abschnitt 23 steht dann manchmal aus der piezoelektrischen Schicht 14 hervor und berührt die Außenelektrode 15. Ein Kurzschluß ist die Folge.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein piezoelektrischer Wandler zur Verfügung gestellt, beinhaltend ein piezoelektrisches Langelement mit einer Kernelektrode, einer piezoelektrischen Schicht, die diese Kernelektrode umgibt, einer Außenelektrodenschicht, die die piezoelektrische Schicht umgibt, sowie einer geformten, elektrisch isolierenden, länglichen Kunstharzschicht, die das piezoelektrische Element umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element eine nicht-gerade Gestalt besitzt.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zur Herstellung eines piezoelektrischen Wandlers mit einem piezoelektrischen Langelement, das von einer elektrisch isolierenden Schicht aus Kunstharz umgeben ist. Dabei wird das Element in einer Forirrvertiefung angeordnet und dann das flüssige Harz dort hineingegossen, bis zur Verfestigung gehärtet und gekühlt, so daß man eine Isolierschicht, die das Element umgibt, erhält, dadurch gekennzeichnet, daß das Element in nicht-gerader Form geformt und dann in die Gußformvertiefung angeordnet wird.
Die Erfindung wird nunmehr im einzelnen mit Bezug auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 ein perspektivisches Schaubild von einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers;
Fig. 2 eine schematische Darstellung von einer Form zur Herstellung des Wandlers;
Fig. 3(a) bis 3(c) schematische Darstellungen der Verfahrensschritte zur Herstellung eines piezoelektrischen Wandlers;
Fig. 3(d) eine Ansicht von einem anderen Herstellungsverfahren, das dem von Fig. 3(b) gleicht;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht von einem piezoelektrischen Element nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht von einem piezoelektrischen Wandler, der das in Fig. 4 gezeigte Element besitzt;
10 Fig. 6 eine perspektivische Ansicht von einer anderen Ausführungsform des piezoelektrischen Wandlers, die der in Fig. 4 ähnelt;
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht von einem herkömmlichen piezoelektrischen Wandler, die der in Fig. 1 ähnelt;
Fig. 8 eine Gußformanordnung zur Herstellung eines herkömmlichen piezoelektrischen Wandlers;
Fig. 9(a) bis 9(c) schematische Darstellungen der Schritte zur Herstellung eines herkömmlichen piezoelektrischen Wandlers;
25 Fig. 10 eine schematisch vergrößerte Ansicht des Abschnitts Q aus Fig. 9(c);
Fig. 11 (a) und 11(b) Querschnitte von verschiedenen Stadien der Herstellung des Wandlers in einer Form.
Siehe Fig. 1. Mit 1 ist allgemein ein erfindungsgemäßer piezoelektrischer Wandler bezeichnet. Dieser ist zusammengesetzt aus einem länglichen piezoelektrischen Element 2 sowie einer länglichen elektrisch isolierenden Schicht 6, die das piezoelektrische Element 2 umgibt. Das Element 2 ist wie ein Koaxialkabel konstruiert und umfaßt eine Kernelektrode 3, eine piezoelektrische Schicht 4, die die Kernelektrode 3 umgibt, sowie eine Außenelektrodenschicht 5, die die piezoelektrische Schicht 4 umgibt. Es ist wichtig, daß das piezoelektrische Element 2 eine nichtgerade Form besitzt. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ist das piezoelektrische Element mäanderförmig. Andere geeignete Formen sind beispielsweise eine Spirale oder verdrehte Formen.
Fig. 2 zeigt eine Form 7 zur Herstellung eines Wandlers 1. Die Form 7 besitzt eine Vertiefung 8 sowie einander gegenüberliegend Platten 9 mit Öffnungen 10. Die Bezugsziffer 21 bezeichnet die gegenüberstehenden Rippen, die einen geflanschten Oberabschnitt des Wandlers 1 bilden. Das Element 2 ist in der Formvertiefung angeordnet, wobei seine beide Endabschnitte durch die Öffnungen 10 der Platten 9, die in Position an die Form 7 angeordnet sind, eingeführt sind. Danach wird eine flüssige Harzzusammensetzung oder eine Harzschmelz in die Formvertiefung gegossen und gehärtet. Nach dem Kühlen wird das Gußprodukt aus der Form 7 genommen. Damit ist der Wandler 1 der vorliegenden Erfindung fertig.
Da das piezoelektrische Element 2 nicht-gerade vorgeformt wurde, kann es beim Abkühlen als Ganzes verformt werden. Die Verformung tritt damit weniger an einem speziellen Ort auf, so daß die Gefahr eines Kurzschlusses, wie bei herkömmlichen piezoelektrischen Wandlern mit geradem piezoelektrischem Element, beseitigt ist.
Siehe Fig. 3< a) bis 3(c). Die Figuren zeigen ein anderes Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Wandlers. Dabei wird die in Fig. 2 gezeigte Form 7 verwendet. Zunächst wird eine geeignete Menge flüssigen Harzes so in die Formvertiefung gegossen und gehärtet, daß die Eckfläche des gehärteten Harzes 6a auf gleicher Ebene zum unteren Abschnitt der Öffnungen 10 der Platten 9 (Fig. 3(a)) liegt. Das Element 2 wird dann auf die Deckfläche des gehärteten Harzes 6a (Fig. 3(b)), die der obere Teil der Isolierschicht 6 bildet, angeordnet. Anschließend wird der Rest des flüssigen Harzes in die Formvertiefung gegossen und gehärtet. Dadurch wird der obere Teil 6b (Fig. 3(c)) der Isolierschicht 6 hergestellt.
In diesem Fall werden die nach oben gerichteten Abschnitte 24 auf der Oberfläche des unteren Teils 6c, wie in Fig. 3(d) gezeigt, zu dem Zweck hergestellt, daß das mäanderförmige Element 2 sich seitlich beim Gießen bewegt und auf den Seitenflächen der Isolierschicht 6 vorsteht. Derart vorgehobene Teile 24 lassen sich herstellen, indem ein Deckel mit Flanschen beim Durchführen der Harzhärtung angebracht wird.
Das obige Zweistufen-Gießverfahren hat den Vorteil, daß ein Durchbiegen des länglichen piezoelektrischen Elements 2 vermieden ist. Denn das piezoelektrische Element besitzt üblich besonders eine Länge von ca. 7 m. Das Element 2 neigt daher, wie in Fig. 11(b) gezeigt, sich aufgrund des Eigengewichts durchzubiegen, wird es durch die Platten 9 nur an den beiden Enden gehalten. Der Abstand des Elements 2 von der Deckfläche der Isolierschicht 6 variiert dann mit der Position. Diese Wandler besitzen dann verschiedene Empfindlichkeiten untereinander. Wird das obige Zweistufen- Gießverfahren verwendet, tritt hingegen bei der Herstellung des, wie in Fig. 11(a) gezeigten Wandlers kein Durchbiegen des Elements 2 auf, da das Element 2 von der Oberfläche des Isolierschicht-Unterteils 6a getragen ist. Die mit dem obigen Verfahren hergestellten Wandler besitzen daher eine einheitliche Empfindlichkeit.
Das Durchbiegen des Elements läßt sich auch dadurch verhindern, daß ein längliches Stützteil verwendet wird. Fig. 4 zeigt eine solche Ausführungsform, wobei das piezoelektrische Element 2 um ein starres gerades Teil, wie beispielsweise ein Klavierdraht, gewunden ist. Beide Enden der Windung sind beim Schmelzen durch Einführen durch die Öffnungen 10 der Platten 9 gehalten. Die so erhaltenen Wandler sind wie in Fig. 5 gezeigt beschaffen.
Eine andere Ausführungsform zeigt Fig. 6. Das Element 2 ist hier mit einem Längsteil 31 durch Verdrillen verbunden. Das Längsteil 31 kann ein Metalldraht oder ein weiteres piezoelektrisches Element, das wie das Element 2 beschaffen ist, sein.
Da der erfindungsgemäße piezoelektrische Wandler ein nichtlinear geformtes piezoelektrisches Element besitzt, kann das Element das Schrumpfen der lsolierschicht bei der Herstellung des Wandlers gleichmäßig absorbieren. Es besteht daher keine Gefahr für das Auftreten von Kurzschlüssen, indem sich die Kernelektrode örtlich verbiegt. Zusätzlich besitzt der erfindungsgemäße Wandler eine bessere Beständigkeit gegenüber Zugkräften. Er besitzt daher im Vergleich zu herkömmlichen Wandlern mit geradem piezoelektrischem Element eine längere Einsatzdauer.

Claims

1. Piezoelektrischer Wandler mit einem piezoelektrischen Langelement (2), beinhaltend eine Kernelektrode (3), eine piezoelektrische Schicht (4), die die Kernelektrode (3) umgibt, eine äußere Elektrodenschicht (5), die die piezoelektrische Schicht (4) umgibt, sowie eine längliche, elektrisch isolierende, gegossene Kunstharzschicht (6), die das piezoelektrische Element (2) umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (2) von nicht-linearer Gestalt ist.

2. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (2) mäanderförmig ist.

3. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (2) spiralförmig ist.

4. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ferner ein starres, in der Isolierschicht (6) angeordnetes, gerades Teil (3) aufweist, um das das piezoelektrische Element (2) gewunden ist.

5. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ferner ein längliches Teil (31) aufweist, mit dem das piezoelektrische Element (2) durch Verdrillen verbunden ist.

6. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das längliche Teil (31) ein Metalldraht ist.

7. Piezoelektrischer Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das längliche Teil (31) ein weiteres piezoelektrisches Element von gleicher Beschaffenheit wie das Element (2) ist.

8. Verfahren zur Herstellung eines piezoelektrischen Wandlers mit einem piezoelektrischen Langelement (2), umgeben von einer elektrischen Isolierschicht (6) aus Kunstharz, wobei das Element (2) in einer Gußformvertiefung (8) angeordnet wird; dann wird ein flussiges Harz dort hineingegossen und bis zur Verfestigung gehärtet, so daß eine lsolierschicht (6), die das Element (2) umgibt, erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (2) in der Gußformvertiefung (8), nachdem das Element (2) hergestellt wurde, in nicht-gerader Gestalt angeordnet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des flüssigen Harzes in die Gußvorvertiefung gegossen und gehärtet wird, daß das Element (2) auf das gehärtete Harz in der Gußformvertiefung gelegt wird und daß dann der Rest des flüssigen Harzes in die Gußformvertiefung gegossen wird.