DE808006C

DE808006C - Piezoelektrischer Umformer

Info

Publication number: DE808006C
Application number: DEP45581A
Authority: DE
Inventors: Alfred Leslie Warwick Williams
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1948-06-12
Filing date: 1949-06-12
Publication date: 1951-07-09
Also published as: US2614143A; NL86929C; GB663423A; FR988238A; CH279346A

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 9. JULI 1951

P 455$ι IX^aI4-S P

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Umformer, unter welchem hier ein Gegenstand mit einem Körper aus einem polykristallinischen dielektrischen Material verstanden wird, der elektrische Energie in mechanische Energie zu überführen vermag, oder umgekehrt. Solche piezoelektrischen Materialien können aus Erdalkalititanaten, wie z. 15. Bariumtitanat, bestehen.

Es wurde festgestellt, daß ein Körper aus einem solchen polykristallinischen Material beim Anlegen einer elektrischen Spannung an Elektroden eine mechanische Formänderung sowohl in der Richtung des erzeugten elektrischen Feldes als auch senkrecht zu dieser Richtung erfahrt oder umgekehrt, wenn das Material polarisiert ist. Eine Polarisation kann dadurch erhalten werden, daß das Material während der Tätigkeit des Umformers dauernd dem Einfluß eines elektrischen Yorspannungsfeldes ausgesetzt wird. Unter gewissen Verhältnissen kann auch eine remanente Polarisation erhalten werden, welche da- ao durch entsteht, daß das Material vor der Verwendung als Teil des Umformers in ähnlicher Weise behandelt und das Vorspannungsfeld alsdann ausgeschaltet wird.

Die Körper aus dem polykristallinischen Material könnten in einer Form verwendet werden, wie sie bei monokristallinisches Material, wie Seignettesalzkristalle, enthaltenden Umformern üblich ist, nämlich dadurch, daß zwei flache Plättchen aus dem Material unter Zwischenfügung einer Elektrode aufeinandergeklebt und die außenliegenden Oberflächen der Plättchen gleichfalls mit einer Elektrode versehen werden. Solche Elemente des sogenannten Sandwichtyps haben sich für manche Anwendungen, bei denen eine Biegungs- oder Torsionsbewegung des Elements in elektrische Energie umgesetzt wer-

den muß oder umgekehrt, besonders bewährt. Sie haben aber den Nachteil, daß infolge der während des Betriebs auftretenden großen Schubkräfte zwischen den Plättchen letztere die Neigung haben, sich voneinander zu lösen, wodurch die gute Wirkung des Umformers beeinträchtigt wird. Außerdem lassen sich bei der Anfertigung der Plättchen auf keramischem Wege infolge der dabei auftretenden hohen Temperatur nur schwer Plättchen mit

ίο flachen Oberflächen erhalten, die sich, mit Elektroden versehen, dazu eignen, auf die gewünschte Weise zusammengeklebt zu werden.

Die Erfindung bezweckt, einen piezoelektrischen Umformer mit einem Körper aus einem polykristallinischen dielektrischen Material zu schaffen, der nicht die obenerwähnten Nachteile des Sandwichtyps aufweist.

Das Element nach der Erfindung besitzt einen rohrförmigen Körper aus polykristallinischem dielektrischem Werkstoff mit piezoelektrischen Eigenschaften, dessen Innen- und Außenwand mit Elektroden versehen ist, die sich in Richtung der Längsachse der Röhre erstrecken, wobei der Körper mit Mitteln zur Übertragung der mechanischen Energie durch Biegung des Körpers um die erwähnte Achse gekoppelt ist.

Durch die Anwendung eines solchen Körpers ist es möglich, in einigen Teilen desselben die Biegung mit einer Einschrumpfung und in anderen Teilen mit einer gleichzeitigen Ausdehnung einhergehen zu lassen, so daß auf der Innen- und Außenwand des Körpers elektrische Potentiale verschiedener Polarität erzeugt werden können und umgekehrt beim Anlegen einer elektrischen Spannung eine mechanische Formänderung des Körpers bewirkt werden kann.

Die Anwendung solcher rohrförmiger Körper bietet außerdem noch den Vorteil, daß für deren Anfertigung keine verwickelten mechanischen Formbearbeitungen erforderlich sind. Auch ist der Wirkungsgrad von Umformern mit solchen Körpern größer als von Umformern mit plattenförmigen Körpern, welche gleichfalls zur Anwendung kommen. Zwecks mechanischer Verstärkung des Körpers kann dessen Höhlung mit einem anderen Werkstoff angefüllt sein, so daß ein massives Gebilde entsteht.

Es ist einleuchtend, daß die Elektroden an den

Stellen angebracht werden, an denen entweder eine Einschrumpfung oder eine Ausdehnung des Materials auftritt. Es ist aber möglich, eine der Wände, vorzugsweise die Innenwand, mit nur einer einzigen Elektrode zu versehen, die dann als gemeinsame Gegenelektrode für die gegenseitig getrennten Elektroden auf der anderen Wand dient. Es ist zweckmäßig, die Elektrode auf der Innenwand aus einer ununterbrochenen Schicht leitender Teilchen, z. B. Kohleteilchen mit einem Bindemittel, zu bilden, da eine solche Schicht sich in diesem Falle leichter anbringen läßt als eine Elektrode aus einer Metallfolie.

Der Querschnitt des Körpers kann verschiedene Formen, z. B. die Gestalt eines kreisförmigen Rings aufweisen. Auch kann der Querschnitt derart sein, daß er aus zwei flachen Teilen besteht, die durch zwei abgerundete Teile miteinander verbunden sind, so daß der Körper die Form einer flachen Röhre aufweist.

Der Querschnitt des Körpers braucht nicht an allen Stellen der Längsachse gleich zu sein, er kann z. B. in Richtung der Längsachse zu- bzw. abnehmen, wodurch die Röhre eine kegelstumpf förmige Gestalt aufweist. Auch braucht die Längsachse der Röhre nicht eine gerade Linie zu sein. In bestimmten Ausführungen ist sie z. B. halbkreisförmig gekrümmt.

Bei einer Ausführungsform des Elements ist der Körper an einem Ende, an dem die Elektroden gemeinsam enden, an einem Träger oder einer Bodenplatte befestigt und am gegenüberliegenden Ende mit Mitteln zur Übertragung mechanischer Energie durch Biegung um die Längsachse gegenüber der Befestigungsstelle versehen.

Vorrichtung, bei denen das Element nach der Erfindung Anwendung finden kann, sind z. B. Schalldosen, Schwingungsaufnahmegeräte, Registriergeräte, Lautsprecher, Mikrophone u. dgl.

Die Erfindung wird an Hand der Figuren der Zeichnung, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert.

Fig. ι und 2 zeigen eine Vorderansicht bzw. eine Draufsicht eines L^Tmformungselements nach der Erfindung;

Fig. 3 ist ein vergrößert dargesteller Querschnitt gemäß der Ebene III-III in Fig. 1;

Fig. 4 und 5 sind eine Vorderansicht bzw. eine Draufsicht einer abgeänderten Ausführungsform der Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2;

Fig. 6 ist ein vergrößert dargestellter Querschnitt gemäß der Ebene VI-VI in Fig. 4;

Fig. 7 ist eine Ansicht in rechtwinkliger Projektion eines weiteren Umformers nach der Erfindung;

Fig. 8 ist eine Endansicht des U^mformers nach

Fig. 7;

Fig. 9 ist ein vergrößert dargestellter Querschnitt gemäß der Ebene IX-IX in Fig. 7;

Fig. 10 ist eine Draufsicht auf einen Umformer des Schalldosentyps nach der Erfindung;

Fig. 11 ist ein Querschnitt in der Richtung XI-XI in Fig. 10;

Fig. 12 ist eine vergrößert dargestellte Perspektivansicht eines Teils der Ausführung mit dem polykristallinischen rohrförmigen Körper der Vorrichtung nach Fig. 10, mit dem Mittelteil des Körpers weggebrochen, und

Fig. 13 ist ein Querschnitt dieses Körpers in der Richtung XIII-XIII nach Fig. 12.

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Umformer besitzt einen Hohlkörper 21 aus polykristallinischem dielektrischem Werkstoff der Art, die wesentliche mechanische Spannungen bei Anwendung elektrostatischer Felder entwickeln kann. Dieses Material enthält vorzugsweise Bariumtitanat, und es besteht mit Vorteil vorwiegend aus einem Bariumtitanat, dem gegebenenfalls Strontiumtitanat zugesetzt ist zwecks Änderung der Eigenschaften des Materials

im Zusammenhang mit der Temperatur, besonders hinsichtlich der dielektrischen Konstante, des piezoelektrischen Koeffizienten und der remanenten Polarisation. Wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, hat der Körper 2i einen Querschnitt in Form eines kreisrunden Rings und ist an einem Ende seiner Längsachse auf einer bodenplatte 22 befestigt. Mechanische Mittel in Form einer Welle 23 sind mit dem Körper 21 an dem anderen Ende der Längsachse gekoppelt. Zur Erleichterung der Befestigung der Welle 23 ist eine Kappe 24 an dem Oberende der Röhre festgekittet, und die Welle 23 wird unerschütterlich an dieser Kappe befestigt.

Auf der Innenwand 28 und der Außenwand 27 des Körpers 21 sind Elektroden angebracht. Die Elektroden können aus dünnen Metallfolien bestehen, welche leitend an die Wände des dielektrischen Körpers gekittet sind, oder aus einem kohlehaltigen Teilchen und ein geeignetes Bindemittel enthaltenden leitenden Material bestehen. Besonders im letzteren !"alle sind die Elektroden so dünn, daß sie einen Teil der Wände zu bilden scheinen, auf denen sie angebracht sind, ausgenommen bei den vergrößert dargestellten Ansichten in den Zeichnungen. Bei dem vergrößert dargestellten Querschnitt in Fig. 3 aber ist eine Elektrode 28 auf der Innenwand 26 der Röhre 21 angegeben. Diese Elektrode 28 kann die ganze oder nahezu ganze Innenwand 26 bedecken. Die Dicke der Elektrode ist deutlichkeitshalber in der Fig. 3 übertrieben angegeben. Zwei sich in der Längsrichtung erstreckende, mittels eines Streifens 27 voneinander getrennte Elektroden 29, 30 sind auf der Außenwand 27 des Körpers angebracht.

Wenn eine permanente Polarisation des polykristallinischen dielektrischen Materials der Röhre 21 gewünscht wird, können die äußeren Elektroden 30 und 29 zeitweise miteinander verbunden werden. Wenn während einer kürzeren Zeit zwischen der Innenelektrode 28 und den Außenelektroden eine hinreichende Spannung aufrechterhalten wird, ergibt sich eine mehr oder weniger permanente Polarisation des dielektrischen Materials, falls dies aus der richtigen Zusammensetzung besteht. Zur Verwendung der Röhre als Umformer aber werden die Elektroden 30 und 29 einzeln mit den Klemmen einer Signalquelle oder einem Signal gebrauchenden Mittel verbunden werden, je nachdem die Richtung der piezoelektrischen Umformung von elektrischer in mechanische Energie ist, oder umgekehrt. Die elektrischen Klemmen und die Signal liefernden oder Signal gebrauchenden Mittel sind in vielen Formen bekannt und in den Zeichnungen daher nicht dargestellt. Gegebenenfalls kann die Innenelektrode 28 geerdet werden, so daß während des Betriebs nicht nur ein Spannungsunterschied zwischen den Außenelektroden 30 und 29 besteht, sondern diese Elektroden auch Spannungen entgegengesetzter Polarität haben.

Wenn der Welle 23 mechanische Energie in einer durch den Doppelpfeil angedeuteten Richtung zugeführt wird, wird die angelegte Kraft den Oberteil der Röhre 21 nach links oder nach rechts bewegen, was mit einer Biegung des Körpers um seine Längsachse in einer entsprechenden Richtung einhergeht. Dieser Biegung wird infolge der festen Montage der Unterseite der Röhre auf der Bodenplatte 22 entgegengewirkt. Aus der Spannungsverteilung in der Röhre wird sich ergeben, daß, entsprechend der Biegung, eine Einschrumpfung in der Länge der Wandteile der Röhre an einer Seite der Achse und eine gleichzeitige Ausdehnung in der Länge der Wandteile an der gegenüberliegenden Seite entsteht. Eine Bewegung der Welle 23 nach links verursacht eine Einschrumpfung der Wandteile bei der Elektrode 29 und eine gleichzeitige Ausdehnung der Wandteile bei der Elektrode 30. Die dadurch auftretenden Ausdehnungs- und Einschrumpfungsspannungen sind am Umfang der Röhre derart verteilt, daß die Spannungen in den Teilen der Röhre an den Trennungsstellen der Elektroden 29 und 30 verschwindend klein werden.

Infolge der Einschrumpfung und Ausdehnung der Wandteile bei der Elektrode 29 bzw. 30 werden elektrische Ladungen entgegengesetzter Polarität an diesen Elektroden aufgebaut, so daß bei wechselnder mechanischer Belastung entsprechenden Signalspannungen zur Verwendung in einem Signal gebrauchenden Apparat auftreten. Der umgekehrte Effekt, der in der elektromechanischen Umformungselemententechnik bekannt ist, kann auch verwendet werden. So wird durch Anlegen einer Signalspannung zwischen den Elektroden 29 und 30 eine Einschrumpfung und Ausdehnung in der Länge der einzelnen, einander gegenüberliegenden Wandteile der Röhre 21 und eine entsprechende Biegung der Röhrenachse herbeigeführt.

Die Fig. 4, 5 und 6 sind Ansichten, ähnlich denjenigen nach den Fig. 1, 2 und 3 einer abgeänderten Ausführungsform des oben beschriebenen Umformers. In dieser abgeänderten Ausführung hat der polykristallinische Körper 31 einen kreisrunden, ringförmigen Querschnitt, aber einen Durchmesser, der von der Bodenplatte 32 aus zu der Kappe 24, an der die Welle 23 befestigt ist, allmählich abnimmt. Dadurch ist die Innenelektrode 38 auf der Innenfläche 36 des Körpers 31 kegelstumpfförmig. Die beiden am Umfang getrennten Außenelektroden 39 und 40 haben gleichfalls kleinere Umfangsabmessungen nach der Oberseite des Körpers 31 zu. Die Wirkung des Umformers ist ganz ähnlich derjenigen des Elements nach den Fig. 1 bis 3. Aber infolge des größeren Querschnitts nach der Unterseite des Umformers zu, wo dieser auf der Bodenplatte 32 montiert ist, ist der Körper 31 widerstandsfähiger und besser beständig gegen Biegung an Stellen, die von den mechanischen Kupplungsmitteln 23 weiter entfernt liegen. Da die Steifheit da größer ist, wo das Moment einer angelegten mechanischen Kraft größer ist, wird mit dem verjüngt ausgebildeten Körper der Vorrichtung nach den Fig. 4 bis 6 eine gleichmäßigere Spannungsverteilung erhalten.

Die Fig. 7 bis 9 zeigen einen Umformer mit einer Röhre 41 des polykristallinischen Materials, dessen Achse gekrümmt ist. Ein Ende dieser Röhre ist unerschütterlich an einer Bodenplatte 42 befestigt. Die

Claims

Röhrenachse ist halbkreisförmig. Das freie Ende der Röhre besitzt eine Kappe 44, an der unter einem im nachfolgenden zu beschreibenden Winkel eine Welle 43 befestigt ist. Wie es aus Fig. 8 ersichtlich ist, in der das unmontierte Ende der Röhre 41 dargestellt ist, hat die Röhre einen kreisförmigen Querschnitt, eine Innenwand 46 und eine Außenwand47. Eine Innenelektrode 48, die in der vergrößert dargestellten Ansicht nach Fig. 9 übertrieben dargestellt xo ist, ist auf der Innenwand 46 angebracht, während die Außenwand mit zwei Elektroden 49, 50 versehen ist.

Wenn der Körper 41 passend polarisiert und an die Elektroden 49 und 50 eine Signalspannung gelegt ist, schrumpfen die Wandteile des Körpers bei einer der Elektroden 49 und 50 ein, während die Wandteile bei der anderen Elektrode sich ausdehnen. Die resultierende Bewegung der Röhre 41 ist derjenigen einer Bourdonschen Röhre ähnlich, obzwar die Erscheinung vielmehr durch die gegenseitige Wirkung der Einschrumpfung und Ausdehnungseffekte in den Röhrenwänden als durch eine Neigung zur Änderung des Innenvolumens der Röhre herbeigeführt wird, wenn sich der Krümmungsradius der Achse ändert. Für eine Röhre 41 mit einer halbkreisförmigen Achse, welche an einem Ende montiert ist und sich auf eine ziemlich ungezwungene Weise derart bewegt, daß der Krümmungsradius der Achse geändert wird, erfolgt anfänglich die Bewegung des freien Röhrenendes in der Länsrichtung der Welle 43, wenn die Welle an der Kappe 44 unter einem Winkel von etwa 58⁰ mit der halbkreisförmigen Achse befestigt ist. Dieser Winkel ist in Fig. 7 angedeutet. Auch der umgekehrte elektromechanische Effekt kann durch Anlegen von Kräften in der Längsrichtung der Welle 43 benutzt werden, um die Röhre aus ihrer unbelasteten halbkreisförmigen Gestalt zu biegen unter Entwicklung von Signalspannungen an den Außenelektroden.

Ein Umformer zur Verwendung als Schalldose ist in der Fig. 10 und in der Teilansicht nach Fig. 11 dargestellt. Dieser Umformer besitzt einen Körper 51 des polykristallinischen Materials, der auf einer Bodenplatte 52 aus Isoliermaterial montiert ist. Die Hodenplatte 52 hat einen länglichen Kanal 53 mit einem verengten Ende 54 und zwei Nebenkanäle 56, 57. Die Bodenplatte 52 besitzt ferner zwei Kontaktstifte 58, 59, welche sich in der Bodenplatte bis zu den Enden der Nebenkanäle 56 und 57 erstrecken. In der Bodenplatte sind Löcher 61, 62 zur Aufnahme der Montageschrauben vorgesehen. Das eine Ende des Körpers 51 ist an der Bodenplatte in der verengten Zone 54 des Kanals 53 gekittet. Das andere Ende des Körpers trägt ein Joch 63, an dessen Ende eine Nadel bzw. Saphir 64 befestigt ist. Leitungsdrähte 66, 67, welche in den Kanälen 56, 57 eingebettet und mit den Stiften 58, 59 verbunden sind, schließen Kontakt mit nachstehend zu beschreibenden Elektroden an einander gegenüberliegenden Seiten des Körpers 51.

Der Körper 51 ist auf mehr detaillierte Weise, aber mit dem Mittelteil weggeschnitten, in der Perspektivansicht nach Fig. 12 dargestellt. Wie es aus Fig. 13 ersichtlich ist, hat der Querschnitt des Körpers zwei breite und flache, einander gegenüberliegende Wandteile 71, 72, welche durch zwei abgerundete Wandteile 73. 74 verbunden sind. Das Ende des Körpers 51 ganz rechts in der Fig. 12 ist an den Wänden der verengten Zone 54 auf die oben angegebene Weise montiert. Ein jochförmiger Teil 76, an dem eine dünne, gebogene Zunge yy festgelötet ist, an deren Ende die Nadel 64 befestigt ist, ist an dem anderen Ende des Körpers 51 gekittet. Die Innenwand des Körpers 51 trägt eine Elektrode 78. Zwischen dem fixierten Ende des Körpers 51 und dem Joch 76 befinden sich zwei getrennte Außenelektroden 79, 80 auf der Außenwand des Körpers, welche auf den einander gegenüberliegenden flachen Wandteilen angebracht sind.

Während des Betriebs wird die Nadel 64 in seitlicher Richtung bewegt, wodurch die Längsachse des Körpers 51 gekrümmt wird. Hiermit geht eine Einschrumpfung bzw. Ausdehnung in der Länge des Materials in den beiden flachen Seiten des !Clements einher. Ebenso wie bei den anderen dargestellten Umformern ist angenommen, daß das polykristallinische Material des Körpers 51, wenigstens in dessen flachen Seiten, in einer Richtung senkrecht zur Innen- und Außenwand des Körpers polarisiert ist. Wenn eine der Seiten einzuschrumpfen und die andere auszudehnen gezwungen wird, treten Spannungen entgegengesetzter Polarität gegenüber der Innenelektrode 78 an den Elektroden 79 und 80 auf, so daß zwischen den zuletztgenannten Elektroden eine Signalspannung entsteht.

Die meisten der dargestellten Formen für den Körper 21, 31, 51 lassen sich durch mechanische Bearbeitung von Blöcken aus auf keramischem Wege angefertigtem polykristallinischem Material erzielen. Der halbkreisförmige Röhrenkörper 41 nach der Fig. 7 kann durch Ausstoßung einer Röhrenform und durch Biegung dieser Form über eine Zylinderfläche vor der Erhitzung erhalten werden.

Die Körper können wahlweise dadurch mit Elektroden versehen werden, daß auf den Wänden dünne leitende Materialschichten angebracht werden, wie es in der Technik bekannt ist. Um auf den Innenwänden Elektroden zu bilden, kann eine Suspension leitender Teilchen in die Röhre eingeführt und ge- no trocknet oder zu dünnen leitenden Schichten auf den Flächen gesintert werden.

P A T E N T A N S I' R C C Il E :

i. Piezoelektrischer Umformer, dadurch gekennzeichnet, daß er einen rohrförmigen Körper aus polykristallinischem, dielektrischem Material mit piezoelektrischen Eigenschaften aufweist, dessen Innen- und Außenwand mit Elektroden versehen ist, die sich in Richtung der Längsachse der Röhre erstrecken, und daß der Körper mit Mitteln zur Übertragung der mechanischen Energie durch Biegung des Körpers um die erwähnte Achse gekuppelt ist bzw. daß von dem

Körper die entsprechend der elektrischen Steuerkraft erzeugte Biegung der Längsachse abgenommen wird.
2. Piezoelektrischer Umformer nach Anspruch r, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungsglied an einem Ende der Röhre angreift, deren anderes Ende mit einem Träger starr verbunden ist.
3. Piezoelektrischer Umformer nach Anspruch ι oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenwand eine einzige Elektrode angebracht ist, die als Gegenelektrode für mehrere getrennte auf der Außenwand angebrachte Elektroden dient.
4. Piezoelektrischer Umformer nach den An-Sprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt der Röhre ein kreisrunder Ring ist.
5. Piezoelektrischer Umformer nach den Ansprüchen i, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Körpers aus zwei flachen Teilen besteht, die durch zwei abgerundete Teile miteinander verbunden sind.
6. Piezoelektrischer Umformer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Körpers in Richtung der Längsachse allmählich zu-bzw. abnimmt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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