EP2186147A1 - Information processor and method for the production thereof - Google Patents

Information processor and method for the production thereof

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Publication number
EP2186147A1
EP2186147A1 EP08803247A EP08803247A EP2186147A1 EP 2186147 A1 EP2186147 A1 EP 2186147A1 EP 08803247 A EP08803247 A EP 08803247A EP 08803247 A EP08803247 A EP 08803247A EP 2186147 A1 EP2186147 A1 EP 2186147A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
information converter
converter according
predetermined breaking
breaking edges
layers
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Withdrawn
Application number
EP08803247A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Heinrich-Jochen Blume
Bernhard Gottlieb
Andreas Kappel
Robert Wolfgang Kissel
Karl-Heinz Mittenbühler
Tim Schwebel
Carsten Wallenhauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2186147A1 publication Critical patent/EP2186147A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204Piezoelectric 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
    • H10N30/2041Beam type
    • H10N30/2042Cantilevers, i.e. having one fixed end
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01Manufacture or treatment
    • H10N30/08Shaping or machining of piezoelectric or electrostrictive bodies
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00Magnetostrictive devices
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00Metal working
    • Y10T29/42Piezoelectric device making

Definitions

  • the invention relates to an information converter, which consists of at least two layers of material with a polygonal base, which are shear-stiffly connected to each other and wherein at least in a material layer, a change in length is inducible.
  • Such information converters are used in automation technology either as a sensor or as an actuator.
  • a narrow side is clamped in a holder. This then defines the zero point of the movement.
  • an actuator the movement of the strip on the narrow side opposite the holder can then be tapped off.
  • an electrical signal can be generated from the movement of the narrow side opposite the holder or a thermal stress is converted into a mechanical movement.
  • the present invention has the object to improve the working capacity and / or the durability of a known information converter.
  • an information converter comprising at least two layers of material with a polygonal base surface, which are connected to each other in a shear-stiff manner and wherein a change in length is inducible at least in one layer of material, the polygonal base having at least two different internal angles.
  • the information converter according to the invention has at least two layers of material which are connected to each other in a shear-resistant manner. This compound can be achieved for example by gluing, sintering or welding. Of the at least two material layers, at least one change in length must be able to be induced from the outside by an applied signal.
  • This signal may be, for example, an electric field, a magnetic field or a temperature change.
  • only one material layer has an inducible change in length, it is applied shear stable on a carrier material which has a smaller or no change in length.
  • a carrier material which has a smaller or no change in length.
  • merge material layers with an inducible change in length so that the mechanical stresses in the material add up and the bending is thereby increased.
  • two layers of material with an inducible change in length can be applied on both sides of a passive carrier material.
  • 2, 4 or 6 material layers with an inducible change in length can also be brought directly onto one another without a passive carrier.
  • a holder is also provided in the information converter according to the present invention, in which one side of the information converter is clamped.
  • the information converter thus consists of a cantilevered cantilever.
  • the mechanical stress can be reduced at the location of the greatest mechanical load occurring, namely directly at the clamping, when the information converter does not have a cuboid shape with a rectangular base, but rather a prismatic shape.
  • the surface of the free bending beam is considered. The area within the clamping is largely released to the person skilled in the art.
  • the base of the prism is characterized in that it has at least two different internal angles.
  • the interior angle of the base area is the angle enclosed by two sides, which lies within the base area. An interior angle is always at one corner of the base. At the base of the cuboid, all internal angles are always 90 °. Thus, there is only a different interior angle.
  • the base area of the prism mold according to the invention has at least two different internal angles.
  • the base area is selected in the form of an equilateral triangle.
  • the information converter on a symmetrical, square base, in which the width of the holder is greater than the width of the holder opposite side.
  • the base thus forms a tapered trapezoid.
  • the polygonal base area of the information converters according to the invention comprises at least an internal angle of approximately 90 °, in one embodiment of the invention the material consumption occurring as a waste in the production of the information converter can be minimized. This is due in particular to the fact that an information converter can be combined again with another point-symmetrical information converter to form the outer shape of a rectangle.
  • the internal angles are not right angles, these are selected from the range of about 35 ° to about 85 °, in particular from about 55 ° to about 80 °. These angular ranges correspond to an aspect ratio of length to width of about 2: 3 to about 20: 3.
  • the length is measured from the holder to the outermost, free-swinging edge.
  • the width corresponds to the Cutting line of the material layers with the mechanical restraint.
  • the material layers preferably have a constant thickness. However, since the width changes with length in the information converters according to the invention, the cross section of the at least two layers of material along the length becomes smaller.
  • an actuator according to the invention contains at least one material layer which exhibits a piezoelectric effect, it could be demonstrated that the blocking force is greater by one third compared to the prior art due to the basic form according to the invention with the same volume of the actuator. As a blocking force while that force is called, which is necessary for bending back a fully deflected information converter in the zero position.
  • the idling deflection of an unloaded actuator according to the prior art and according to the present invention is identical.
  • the quality of the actuator so the product of blocking force and deflection, also by a third larger.
  • this leads to an increased working capacity with the same consumption of piezoelectric material or to a lower material consumption with the same working capacity.
  • the electrical measuring signal increases with the same deflection. This results in an improved signal / noise ratio and thus a higher accuracy of measurement.
  • a device in order to produce a piezoelectric effect in at least one material layer, a device is provided in order to generate an electric field in the material parallel or antiparallel to the polarization. This can be done for example by electrodes which are applied to the outside of the piezoelectric material layer by sputtering or thermal evaporation. In some cases, it is also possible to use an electrically conductive carrier material on which The piezoelectric material layer is applied shear stable.
  • piezoelectric materials are lead zirconate titanates or lead magnesium niobates or mixtures of one or more of these materials.
  • the mentioned ceramic materials show a particularly large piezoelectric effect, ie a particularly large change in shape as a function of the electric field.
  • By applying the electric field see antiparallel to the polarity of the piezoelectric material this undergoes a longitudinal compression and a transverse strain.
  • an electric field is applied parallel to the direction of polarization, the material undergoes longitudinal expansion and transverse buckling. If two layers of material are connected shear-stiffly in the opposite direction of the polarization, the composite strip thus formed experiences an increase in its deformation when an electric field is applied.
  • this amplification can also be achieved by choosing the directions of polarization in the same direction and counteracting the electric field in each material layer.
  • Figure 1 shows a bending actuator according to the prior art in a perspective view.
  • FIG. 2 shows variants of flexural transducer designs, which can be used both in the prior art and in accordance with the present invention.
  • FIG. 3 shows various base areas for information converters according to the present invention.
  • FIG. 4 shows possible sectional guides for producing the information converters according to FIGS. 1 and 3.
  • Figure 1 shows an information converter 1, which is designed as a piezoelectric bending transducer. The actual
  • the transducer consists of a carrier material 2 and a piezoelectric material 3. Both layers of material are connected to each other in a shear-resistant manner, for example by gluing. One end is fixed in an electrically insulating holder 4.
  • the piezoelectric material layer 3 has a conductive coating on its upper side.
  • the carrier 2 is electrically conductive.
  • the polarization direction of the piezoelectric material 3 runs opposite to the arrow E. Outside the holder 4, the free length of the carrier material and piezoelectric material is the same size and shows a substantially rectangular base area. Both layers of material thus form a cuboid of small thickness.
  • an electrical voltage is applied to the holder 2 and the conductive coating of the piezoelectric material layer 3.
  • an electric field E sets in within the material layer 3. This leads to the length contraction of the material layer 3.
  • the carrier material 2 is not influenced by the electric field and furthermore has a constant length. This leads to a mechanical stress in the information converter and subsequently to its bending along the arrow 6.
  • the information converter of Figure 1 can also be used as a sensor. If the sensor strip 1 is deformed along the arrow 6, for example by an acceleration force or by the start-up of a further component, not shown, this leads to a compression of the upper material layer 3 and an expansion of the underlying material layer 2. The compression of the piezoelectric Material layer 3 leads to a spatial charge separation in the crystal lattice, resulting in a material layer electric field E trains. Thus, an electrical voltage can be measured between the electrical contacts 5 at the top and bottom of the composite strip.
  • FIG. 2a shows the information converter from FIG
  • FIG. 2b shows a trimorphic structure.
  • a piezoceramic material layer 3a and 3b is applied to the carrier layer 2 on both sides. This too
  • 3-layer layer structure is located with one end in a holder 4.
  • a voltage to the both sides conductive outer surfaces of the material layers 3a, 3b is induced in a material layer, for example 3a, a longitudinal strain.
  • Material layer 3b is then switched so that a longitudinal compression is induced there.
  • the tip of the bending actuator will move to the left in the direction of the material layer 3.
  • the multimorph is constructed according to FIG. 2b.
  • This consists of an even number of piezoceramic material layers, in the example of drawing 4. These are designated 3a to 3d.
  • a substrate 2 is not provided in this embodiment.
  • the material layers 3a to 3d are connected such that upon application of a supply voltage 5, the respective deformation of the material layers 3a to 3d on both sides of the symmetry axis of the stack is different. As a result, the force applied by the bending actuator is increased.
  • FIG. 3 shows 4 embodiments of an information converter according to the present invention. Shown is because the base of the bending transducer in the supervision. In cross-section, each of the embodiments 3a-3d can have a construction according to each of FIGS. 2a to 2c.
  • Figure 3a shows a bending transducer with a base in the form of an equilateral triangle.
  • the base has an interior angle of 53 ° to 84 °.
  • a bimorphous layer structure in triangular design according to the invention is compared with a surface and volume-identical rectangular structure according to the prior art.
  • the bending transducer according to the invention is clamped at or near the base edge of the equilateral triangle.
  • the movement is tapped off at the opposite triangle tip.
  • the height of the triangle corresponds to the length of the rectangular information converter.
  • xo denotes the deflection
  • E el the electric field which prevails within the piezoelectric material layer 3
  • h their thickness h their thickness and 1 the length of the rectangular information converter or the height of the triangular information converter.
  • the blocking force of the triangular transducer is one-third larger than that of the prior art volume converter.
  • the quality of a bending transducer is the product of blocking force and idling deflection.
  • the quality therefore has the unity of an energy and thus gives the theoretically possible working capacity of a bending reactor or in one
  • the mechanical normal stress in the material of the information converter is thus reduced by 1/3 in the case of the mold according to the invention. This results in a higher operational stability and a longer operating time until the failure of the information converter.
  • the information converter according to FIG. 3b has the shape of a right-angled triangle. This makes it possible to put two bending actuators point-symmetrical to a rectangle. This shape enables the production of a rectangular semi-finished product without cutting.
  • This information converter is clamped to the shorter catheter in a holder 4. The movement is then tapped at the intersection of the longer catheter with the hypotenuse.
  • the base For aspect ratios of length to width from 2: 3 to 20: 3, the base has an interior angle of 34 ° to 80 °.
  • the trapezoidal information converter according to FIG. 3c provides a larger area at the end opposite the clamping. This shape results from the fact that the triangular transducer according to FIG. 3a is effectively shortened at its tip.
  • the actual width at the tap and thus the opening angle ⁇ near the clamping will be selected by the skilled person according to the desired application. In this case, the maximum possible load capacity at the tap against the increase of the quality criterion and the reduction of the mechanical stress at the clamping should be weighed.
  • the embodiment according to FIG. 3d has two right angles, so that two transducers can be assembled to a total of one rectangular outer shape by point mirroring of a transducer. This again results in a minimization of the crop as in the embodiment according to FIG. 3b.
  • This form is theoretically due to the fact that the triangular transducer of Figure 3b is effectively shortened at its tip. This in turn increases the load capacity at the tap.
  • a semifinished product preferably at least two layers of material are first of all connected to each other in a shear-resistant manner to form a semifinished product, wherein a change in length can be induced at least in one material layer.
  • the semi-finished product has a size which corresponds to several information converters ready for use.
  • the separation takes place by cutting or not cutting.
  • predetermined breaking points can be introduced into the material, along which the information converters are then separated by breaking.
  • the cutting takes place as shown in Fig. 4a.
  • first predetermined breaking edges are introduced substantially at right angles to the outer edges of the semifinished product. The distance between these predetermined breaking edges corresponds to the height 1 of the finished transducer, plus the clamping length with which it is inserted in the holder 4.
  • predetermined breaking edges are made to extend obliquely over the substrate. The angle is chosen so that it corresponds to the base angle ⁇ of the transducer. According to the desired aspect ratio, the angle between the first and second predetermined breaking edges is selected from the range of about 53 ° to about 85 °.
  • third predetermined breaking edges are introduced, which likewise run transversely over the entire substrate.
  • FIG. 4c describes the production of an information converter according to FIG. 3b.
  • first and second predetermined breaking edges are attached, as described by the method according to FIG. 4b.
  • the second solitary rupture edges with the first predetermined rupture edges enclose an angle ⁇ which corresponds to the angle between the short catheter and the hypotenuse of the finished transducer.
  • the angle ⁇ is selected from the range of 34 ° to 80 °.
  • the third predetermined breaking edge is again introduced at right angles to the first predetermined breaking edge into the material, this always running through the intersections of the first and second predetermined breaking edges.

Abstract

The invention relates to an information processor, comprising at least two material layers having polygonal base surfaces, which are connected to each other in a shear-rigid way, and wherein at least in one material layer a change of length can be induced. The polygonal base surface has at least two different interior angles. The invention further relates to a method for the production thereof.

Description

Beschreibungdescription
Informationswandler und Verfahren zu seiner HerstellungInformation converter and method for its production
Die Erfindung betrifft einen Informationswandler, welcher aus mindestens zwei Materiallagen mit polygonaler Grundfläche besteht, welche schersteif mit einander verbunden sind und wobei zumindest in einer Materiallage eine Längenänderung indu- zierbar ist. Solche Informationswandler werden in der Automatisierungstechnik entweder als Sensor oder als Aktor eingesetzt .The invention relates to an information converter, which consists of at least two layers of material with a polygonal base, which are shear-stiffly connected to each other and wherein at least in a material layer, a change in length is inducible. Such information converters are used in automation technology either as a sensor or as an actuator.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, mindestens zwei Mate- riallagen mit unterschiedlichen Ausdehnungsverhalten schersteif miteinander zu einem Verbundmaterial zu verbinden. Das Ausdehnungsverhalten kann dabei piezoelektrisch, magne- tostriktiv, elektrostriktiv, durch Formgedächtnislegierungen oder thermisch beeinflusst werden. Die unterschiedliche Aus- dehnung beider Materiallagen verursacht dann eine Biegung des Verbundmaterials, welche elektrisch oder thermisch induziert werden kann. Die äußere Form eines solchen Verbundmaterials nach dem Stand der Technik ist stets quaderförmig, wobei die Grenzfläche zwischen den zwei Materiallagen stets parallel zur Ebene größter Ausdehnung verläuft. Die Schnittlinie beider Materialien verläuft somit innerhalb der Schmalseite. Die Grundfläche in der Ebene der größten Ausdehnung des Quaders ist stets rechteckig oder quadratisch.It is known from the prior art to connect at least two material layers with different expansion behavior to one another in a shear-resistant manner to form a composite material. The expansion behavior can be influenced piezoelectrically, magnetostrictively, electrostrictively, by shape memory alloys or thermally. The differential expansion of the two material layers then causes a bending of the composite material, which can be induced electrically or thermally. The outer shape of such a composite material according to the prior art is always cuboid, wherein the interface between the two layers of material is always parallel to the plane of greatest extent. The cutting line of both materials thus runs within the narrow side. The base in the plane of the largest dimension of the cuboid is always rectangular or square.
Um die relative Verbiegung des Verbundmaterials als Informationswandler nutzbar zu machen, wird meist eine Schmalseite in einen Halter eingespannt. Dieser definiert dann den Nullpunkt der Bewegung. Bei einem Aktor kann dann die Bewegung des Streifens an der dem Halter gegenüberliegenden Schmalseite abgegriffen werden. Bei einem Sensor kann aus der Bewegung der dem Halter gegenüberliegenden Schmalseite ein elektrisches Signal generiert werden oder eine thermische Beanspruchung wird in eine mechanische Bewegung umgesetzt.In order to make the relative bending of the composite material usable as an information converter, usually a narrow side is clamped in a holder. This then defines the zero point of the movement. In the case of an actuator, the movement of the strip on the narrow side opposite the holder can then be tapped off. In the case of a sensor, an electrical signal can be generated from the movement of the narrow side opposite the holder or a thermal stress is converted into a mechanical movement.
Um die mechanische Leistung bzw. das Arbeitsvermögen eines Aktors zu steigern, ist es aus dem Stand der Technik bekannt, eine Vielzahl von Materiallagen jeweils schersteif miteinander zu verbinden. Dabei ist darauf zu achten, dass sich die jeweiligen Verformungen der Streifen nicht gegenseitig aufheben, sondern addieren. Dadurch wird die zur Verfügung stehen- de Kraft vervielfacht.In order to increase the mechanical performance or the working capacity of an actuator, it is known from the prior art to connect a plurality of layers of material each shear stiff with each other. Care must be taken to ensure that the respective deformations of the strips do not cancel each other out, but add up. This multiplies the available power.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Arbeitsvermögen und/oder die Betriebsfestigkeit eines bekannten Informationswandlers zu verbessern.Based on this prior art, the present invention has the object to improve the working capacity and / or the durability of a known information converter.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Informationswandler, bestehend aus mindesten zwei Materiallagen mit polygonaler Grundfläche, welche schersteif miteinander verbunden sind und wobei zumindest in einer Materiallage eine Längenänderung induzierbar ist, wobei die polygonale Grundfläche zumindest zwei verschiedene Innenwinkel aufweist.The object is achieved by an information converter, comprising at least two layers of material with a polygonal base surface, which are connected to each other in a shear-stiff manner and wherein a change in length is inducible at least in one layer of material, the polygonal base having at least two different internal angles.
Der erfindungsgemäße Informationswandler weist mindestens zwei Materiallagen auf, welche schersteif miteinander verbunden sind. Diese Verbindung kann beispielsweise durch kleben, sintern oder schweißen erzielt werden. Von den mindestens zwei Materiallagen muss mindestens eine Längenänderung aufweisen, welche von außen durch ein angelegtes Signal indu- zierbar ist. Dieses Signal kann beispielsweise ein elektrisches Feld, ein magnetisches Feld oder eine Temperaturänderung sein.The information converter according to the invention has at least two layers of material which are connected to each other in a shear-resistant manner. This compound can be achieved for example by gluing, sintering or welding. Of the at least two material layers, at least one change in length must be able to be induced from the outside by an applied signal. This signal may be, for example, an electric field, a magnetic field or a temperature change.
Falls nur eine Materiallage eine induzierbare Längenänderung aufweist, wird diese scherstabil auf ein Trägermaterial aufgebracht, welches eine geringere oder keine Längenänderung aufweist. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, meh- rere Materiallagen mit induzierbarer Längenänderung so zusammenzufügen, dass sich die mechanischen Spannungen im Material addieren und die Verbiegung dadurch verstärkt wird. In dieser Weise können beispielsweise zwei Materiallagen mit induzier- barer Längenänderung beiderseits eines passiven Trägermaterials aufgebracht werden. Alternativ können auch 2, 4 oder 6 Materiallagen mit induzierbarer Längenänderung ohne passiven Träger direkt aufeinander gebracht werden.If only one material layer has an inducible change in length, it is applied shear stable on a carrier material which has a smaller or no change in length. Of course, it is also possible to merge material layers with an inducible change in length so that the mechanical stresses in the material add up and the bending is thereby increased. In this way, for example, two layers of material with an inducible change in length can be applied on both sides of a passive carrier material. Alternatively, 2, 4 or 6 material layers with an inducible change in length can also be brought directly onto one another without a passive carrier.
Um die relative Verbiegung der mindestens zwei Materiallagen für eine absolute Positionsänderung nutzbar zu machen, ist auch beim Informationswandler gemäß der vorliegenden Erfindung ein Halter vorgesehen, in welchem eine Seite des Informationswandlers eingeklemmt wird. Der Informationswandler be- steht somit aus einem einseitig eingespannten Biegebalken.In order to make the relative bending of the at least two material layers usable for an absolute change in position, a holder is also provided in the information converter according to the present invention, in which one side of the information converter is clamped. The information converter thus consists of a cantilevered cantilever.
Erfindungsgemäß wurde nun erkannt, dass sich an der Stelle der größten auftretenden mechanischen Belastung, nämlich direkt an der Einspannung, die mechanische Spannung reduzieren lässt, wenn der Informationswandler keine Quaderform mit rechteckiger Grundfläche, sondern eine Prismenform aufweist. Als Grundfläche im Sinne der vorliegenden Erfindung wird die Fläche des freien Biegebalkens angesehen. Die Fläche innerhalb der Einspannung ist dem Fachmann weitgehend freige- stellt.According to the invention, it has now been recognized that the mechanical stress can be reduced at the location of the greatest mechanical load occurring, namely directly at the clamping, when the information converter does not have a cuboid shape with a rectangular base, but rather a prismatic shape. As a base in the context of the present invention, the surface of the free bending beam is considered. The area within the clamping is largely released to the person skilled in the art.
Die Grundfläche des Prismas ist dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens zwei verschiedene Innenwinkel aufweist. Als Innenwinkel der Grundfläche wird dabei der durch zwei Seiten eingeschlossene Winkel bezeichnet, der innerhalb der Grundfläche liegt. Ein Innenwinkel liegt immer an einer Ecke der Grundfläche. Bei der Grundfläche des Quaders betragen sämtliche Innenwinkel stets 90°. Somit liegt nur ein verschiedener Innenwinkel vor. Die Grundfläche der erfindungsgemäßen Pris- menform weist demgegenüber mindestens zwei verschiedene Innenwinkel auf. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Informationswandlers ist die Grundfläche in Form eines gleichseitigen Dreieckes gewählt. Für einen symmetrisch aufgebauten Bimorph- Bieger, d. h. einen Verbund aus zwei identischen Materialla- gen, deren Verformung sich addiert, konnte gezeigt werden, dass bei gleicher Auslenkung der Spitze die mechanische Spannung am Ort der Einspannung um ein Drittel niedriger ist als bei einem quaderförmigen Bimorph. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn eine oder beide Materiallagen aus Keramik bestehen, da Keramik-Werkstoffe nur geringe Zuspannungen aufnehmen können. Gleichzeitig zeigen einige Keramiken einen starken piezo-elektrischen Effekt und eignen sich daher besonders für piezo-elektrische Informationswandler.The base of the prism is characterized in that it has at least two different internal angles. The interior angle of the base area is the angle enclosed by two sides, which lies within the base area. An interior angle is always at one corner of the base. At the base of the cuboid, all internal angles are always 90 °. Thus, there is only a different interior angle. In contrast, the base area of the prism mold according to the invention has at least two different internal angles. In one embodiment of the information converter according to the invention, the base area is selected in the form of an equilateral triangle. For a symmetrically constructed bimorph bender, ie a composite of two identical material layers whose deformation adds up, it could be shown that with the same deflection of the tip, the mechanical stress at the location of the clamping is one third lower than with a cuboid bimorph , This is particularly advantageous if one or both layers of material are made of ceramic, since ceramic materials can absorb only small stresses. At the same time, some ceramics show a strong piezoelectric effect and are therefore particularly suitable for piezoelectric information converters.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung weist der Informationswandler eine symmetrische, viereckige Grundfläche auf, bei welcher die Breite am Halter größer ist als die Breite an der dem Halter entgegengesetzten Seite. Die Grundfläche bildet also ein sich verjüngendes Trapez. Durch diese Form wird die Belastbarkeit des frei schwingenden Endes des als Biegebalken fungierenden Verbundmaterials erhöht.In another embodiment of the invention, the information converter on a symmetrical, square base, in which the width of the holder is greater than the width of the holder opposite side. The base thus forms a tapered trapezoid. By this form, the load capacity of the free-swinging end of acting as a bending beam composite material is increased.
Sofern die polygonale Grundfläche der erfindungsgemäßen Informationswandler zumindest einen Innenwinkel von etwa 90° umfasst, kann in einer Ausführungsform der Erfindung der als Verschnitt bei der Herstellung des Informationswandlers anfallende Materialverbrauch minimiert werden. Dies liegt insbesondere darin begründet, dass sich ein Informationswandler mit einem weiteren punktsymmetrischen Informationswandler wieder zur äußeren Form eines Rechteckes zusammenfügen lässt.If the polygonal base area of the information converters according to the invention comprises at least an internal angle of approximately 90 °, in one embodiment of the invention the material consumption occurring as a waste in the production of the information converter can be minimized. This is due in particular to the fact that an information converter can be combined again with another point-symmetrical information converter to form the outer shape of a rectangle.
Sofern die Innenwinkel keine rechten Winkel sind, sind diese aus dem Bereich von etwa 35° bis etwa 85°, insbesondere von etwa 55° bis etwa 80° gewählt. Diese Winkelbereiche entspre- chen einem Aspektverhältnis der Länge zur Breite von etwa 2:3 bis etwa 20:3. Die Länge wird dabei vom Halter zur äußersten, frei schwingenden Kante gemessen. Die Breite entspricht der Schnittlinie der Materiallagen mit der mechanischen Einspannung. Bevorzugt weisen die Materiallagen eine konstante Dicke auf. Da sich bei den erfindungsgemäßen Informationswandlern jedoch die Breite mit der Länge ändert, wird der Querschnitt der mindestens zwei Materiallagen entlang der Länge kleiner.If the internal angles are not right angles, these are selected from the range of about 35 ° to about 85 °, in particular from about 55 ° to about 80 °. These angular ranges correspond to an aspect ratio of length to width of about 2: 3 to about 20: 3. The length is measured from the holder to the outermost, free-swinging edge. The width corresponds to the Cutting line of the material layers with the mechanical restraint. The material layers preferably have a constant thickness. However, since the width changes with length in the information converters according to the invention, the cross section of the at least two layers of material along the length becomes smaller.
Sofern ein erfindungsgemäßer Aktor zumindest eine Materiallage enthält, welche einen piezoelektrischen Effekt zeigt, konnte nachgewiesen werden, dass die Blockierkraft gegenüber dem Stand der Technik aufgrund der erfindungsgemäßen Grundform bei gleichem Volumen des Aktors um ein Drittel größer ist. Als Blockierkraft wird dabei diejenige Kraft bezeichnet, welche zum Zurückbiegen eines vollständig ausgelenkten Informationswandlers in die Nulllage notwendig ist.If an actuator according to the invention contains at least one material layer which exhibits a piezoelectric effect, it could be demonstrated that the blocking force is greater by one third compared to the prior art due to the basic form according to the invention with the same volume of the actuator. As a blocking force while that force is called, which is necessary for bending back a fully deflected information converter in the zero position.
Die Leerlaufauslenkung eines unbelasteten Aktors nach dem Stand der Technik und gemäß der vorliegenden Erfindung ist identisch. Somit ist die Güte des Aktors, also das Produkt aus Blockierkraft und Auslenkung, ebenfalls um ein Drittel größer. Dies führt bei einem piezoelektrischen Biegeaktor zu einem vergrößerten Arbeitsvermögen bei gleichem Verbrauch an piezoelektrischem Material oder aber zu einem geringeren Materialverbrauch bei gleichem Arbeitsvermögen. Im Falle eines piezoelektrischen Sensors, beispielsweise eines Beschleuni- gungssensors, wird das elektrische Messsignal bei gleicher Auslenkung größer. Somit ergeben sich ein verbessertes Signal/Rausch-Verhältnis und damit eine höhere Messgenauigkeit.The idling deflection of an unloaded actuator according to the prior art and according to the present invention is identical. Thus, the quality of the actuator, so the product of blocking force and deflection, also by a third larger. In the case of a piezoelectric bending actuator, this leads to an increased working capacity with the same consumption of piezoelectric material or to a lower material consumption with the same working capacity. In the case of a piezoelectric sensor, for example an acceleration sensor, the electrical measuring signal increases with the same deflection. This results in an improved signal / noise ratio and thus a higher accuracy of measurement.
Um einen piezoelektrischen Effekt in mindestens einer Materi- allage hervorzurufen, ist eine Einrichtung vorgesehen, um im Material parallel oder antiparallel zur Polarisation ein elektrisches Feld zu erzeugen. Dies kann beispielsweise durch Elektroden geschehen, welche auf die Außenseite der piezoelektrischen Materiallage durch Sputtern oder thermisches Verdampfen aufgebracht werden. Fallweise kann auch ein elektrisch leitfähiges Trägermaterial zum Einsatz kommen, auf wel- ches die piezoelektrische Materiallage scherstabil aufgebracht wird.In order to produce a piezoelectric effect in at least one material layer, a device is provided in order to generate an electric field in the material parallel or antiparallel to the polarization. This can be done for example by electrodes which are applied to the outside of the piezoelectric material layer by sputtering or thermal evaporation. In some cases, it is also possible to use an electrically conductive carrier material on which The piezoelectric material layer is applied shear stable.
Als piezoelektrisches Material eignen sich beispielsweise Blei- Zirkonat- Titanate oder Blei-Magnesium-Niobate oder Mischungen aus einem oder mehreren dieser Materialien. Die genannten Keramikmaterialen zeigen einen besonders großen Pie- zo-Effekt, also eine besonders große Formänderung in Abhängigkeit des elektrischen Feldes. Durch Anlegen des elektri- sehen Feldes antiparallel zur Polung des Piezomaterials erfährt dieses eine Längsstauchung und eine Querdehnung. Beim Anliegen eines elektrischen Feldes parallel zur Richtung der Polarisation erfährt das Material eine Längsdehnung und eine Querstauchung. Sofern zwei Materiallagen mit entgegengesetz- ter Richtung der Polarisation schersteif verbunden werden, erfährt der so gebildete Verbundstreifen bei Anlegen eines elektrischen Feldes eine Verstärkung seiner Verformung. Selbstverständlich ist diese Verstärkung auch dadurch erzielbar, dass die Richtungen der Polarisation gleichsinnig ge- wählt werden und das elektrische Feld in jeder Materiallage entgegengesetzt wirkt.Examples of suitable piezoelectric materials are lead zirconate titanates or lead magnesium niobates or mixtures of one or more of these materials. The mentioned ceramic materials show a particularly large piezoelectric effect, ie a particularly large change in shape as a function of the electric field. By applying the electric field see antiparallel to the polarity of the piezoelectric material, this undergoes a longitudinal compression and a transverse strain. When an electric field is applied parallel to the direction of polarization, the material undergoes longitudinal expansion and transverse buckling. If two layers of material are connected shear-stiffly in the opposite direction of the polarization, the composite strip thus formed experiences an increase in its deformation when an electric field is applied. Of course, this amplification can also be achieved by choosing the directions of polarization in the same direction and counteracting the electric field in each material layer.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren und Beispielen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedanken näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below with reference to figures and examples without limiting the general concept of the invention.
Figur 1 zeigt einen Biegeaktor gemäß dem Stand der Technik in perspektivischer Darstellung.Figure 1 shows a bending actuator according to the prior art in a perspective view.
Figur 2 zeigt Varianten von Biegewandlerbauformen, wie sie sowohl im Stand der Technik, als auch nach der vorliegenden Erfindung Verwendung finden können.FIG. 2 shows variants of flexural transducer designs, which can be used both in the prior art and in accordance with the present invention.
Figur 3 zeigt verschiedene Grundflächen für Informationswand- ler gemäß der vorliegenden Erfindung. Figur 4 zeigt mögliche Schnittführungen zur Herstellung der Informationswandler nach den Figuren 1 und 3.FIG. 3 shows various base areas for information converters according to the present invention. FIG. 4 shows possible sectional guides for producing the information converters according to FIGS. 1 and 3.
Figur 1 zeigt einen Informationswandler 1, welcher als piezo- elektrischer Biegewandler ausgeführt ist. Der eigentlicheFigure 1 shows an information converter 1, which is designed as a piezoelectric bending transducer. The actual
Wandler besteht aus einem Trägermaterial 2 und einem Piezoma- terial 3. Beide Materiallagen sind schersteif miteinander verbunden, beispielsweise durch Klebung. Ein Ende ist in einem elektrisch isolierenden Halter 4 befestigt. Die piezo- elektrische Materiallage 3 weist an ihrer Oberseite eine leitfähige Beschichtung auf. Ebenso ist der Träger 2 elektrisch leitfähig. Die Polarisationsrichtung des piezoelektrischen Materials 3 verläuft gegengleich dem Pfeil E. Außerhalb des Halters 4 ist die freie Länge von Trägermaterial und Pie- zomaterial gleich groß und zeigt eine im Wesentlichen rechteckige Grundfläche. Beide Materiallagen bilden also einen Quader von geringer Dicke.The transducer consists of a carrier material 2 and a piezoelectric material 3. Both layers of material are connected to each other in a shear-resistant manner, for example by gluing. One end is fixed in an electrically insulating holder 4. The piezoelectric material layer 3 has a conductive coating on its upper side. Likewise, the carrier 2 is electrically conductive. The polarization direction of the piezoelectric material 3 runs opposite to the arrow E. Outside the holder 4, the free length of the carrier material and piezoelectric material is the same size and shows a substantially rectangular base area. Both layers of material thus form a cuboid of small thickness.
Zum Einsatz als Aktor wird eine elektrische Spannung an den Halter 2 und die leitfähige Beschichtung der piezoelektrischen Materiallage 3 angelegt. Dadurch stellt sich innerhalb der Materiallage 3 ein elektrisches Feld E ein. Dieses führt zur Längenkontraktion der Materiallage 3. Das Trägermaterial 2 wird durch das elektrische Feld nicht beeinflusst und weist weiterhin eine konstante Länge auf. Dies führt zu einer mechanischen Spannung im Informationswandler und nachfolgend zu dessen Verbiegung entlang des Pfeils 6.For use as an actuator, an electrical voltage is applied to the holder 2 and the conductive coating of the piezoelectric material layer 3. As a result, an electric field E sets in within the material layer 3. This leads to the length contraction of the material layer 3. The carrier material 2 is not influenced by the electric field and furthermore has a constant length. This leads to a mechanical stress in the information converter and subsequently to its bending along the arrow 6.
Alternativ kann der Informationswandler nach Figur 1 auch als Sensor verwendet werden. Falls der Sensorstreifen 1 entlang des Pfeils 6 verformt wird, beispielsweise durch eine Beschleunigungskraft oder durch das Anlaufen eines weiteren, nicht dargestellten Bauteils, führt dies zu einer Stauchung der oberen Materiallage 3 und einer Dehnung der darunter lie- genden Materiallage 2. Die Stauchung der piezoelektrischen Materiallage 3 führt zu einer räumlichen Ladungstrennung im Kristallgitter, wodurch sich innerhalb der Materiallage ein elektrisches Feld E ausbildet. Somit kann zwischen den elektrischen Kontakten 5 an der Ober- und Unterseite des Verbundstreifens eine elektrische Spannung gemessen werden.Alternatively, the information converter of Figure 1 can also be used as a sensor. If the sensor strip 1 is deformed along the arrow 6, for example by an acceleration force or by the start-up of a further component, not shown, this leads to a compression of the upper material layer 3 and an expansion of the underlying material layer 2. The compression of the piezoelectric Material layer 3 leads to a spatial charge separation in the crystal lattice, resulting in a material layer electric field E trains. Thus, an electrical voltage can be measured between the electrical contacts 5 at the top and bottom of the composite strip.
Figur 2a zeigt den Informationswandler aus Figur 1 imFIG. 2a shows the information converter from FIG
Schnitt. Dargestellt sind wiederum der elektrisch leitfähige Träger 2 und die piezoelektrische Materiallage 3. Beide Materiallagen sind schersteif miteinander verbunden und im Halter 4 eingespannt. Die Spannungsquelle 5 erzeugt ein elektrisches Feld E, welches parallel zur Polarisierung des Piezomaterials 3 wirkt. Ein solcher Aufbau wird als Monomorph bezeichnet.Cut. Shown again are the electrically conductive carrier 2 and the piezoelectric material layer 3. Both layers of material are shear-stiffly connected to each other and clamped in the holder 4. The voltage source 5 generates an electric field E, which acts in parallel to the polarization of the piezoelectric material 3. Such a construction is called a monomorph.
Figur 2b zeigt einen trimorphen Aufbau. Im Unterschied zu Figur 2a ist auf die Trägerschicht 2 beidseitig eine piezokera- mische Materiallage 3a und 3b aufgebracht. Auch dieserFIG. 2b shows a trimorphic structure. In contrast to FIG. 2a, a piezoceramic material layer 3a and 3b is applied to the carrier layer 2 on both sides. This too
3-schichtige Schichtaufbau befindet sich mit einem Ende in einer Halterung 4. Beim Anlegen einer Spannung an die beidseitig leitfähigen Außenflächen der Materiallagen 3a, 3b wird in einer Materiallage beispielsweise 3a, eine Längsdehnung induziert. Materiallage 3b ist dann so geschaltet, dass dort eine Längsstauchung induziert wird. Somit wird sich die Spitze des Biegeaktors nach links in Richtung der Materiallage 3 bewegen .3-layer layer structure is located with one end in a holder 4. When applying a voltage to the both sides conductive outer surfaces of the material layers 3a, 3b is induced in a material layer, for example 3a, a longitudinal strain. Material layer 3b is then switched so that a longitudinal compression is induced there. Thus, the tip of the bending actuator will move to the left in the direction of the material layer 3.
Nach demselben Prinzip ist der Multimorph nach Figur 2b aufgebaut. Dieser besteht aus einer geraden Anzahl piezokerami- scher Materiallagen, im Beispiel der Zeichnung 4. Diese sind mit 3a bis 3d bezeichnet. Ein Substrat 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel nicht vorgesehen. Die Materiallagen 3a bis 3d sind so geschalten, dass bei Anlegen einer Versorgungsspannung 5 die jeweilige Verformung der Materiallagen 3a bis 3d beiderseits der Symmetrieachse des Stapels unterschiedlich ist. Dadurch wird die vom Biegeaktor aufgebrachte Kraft vergrößert .According to the same principle, the multimorph is constructed according to FIG. 2b. This consists of an even number of piezoceramic material layers, in the example of drawing 4. These are designated 3a to 3d. A substrate 2 is not provided in this embodiment. The material layers 3a to 3d are connected such that upon application of a supply voltage 5, the respective deformation of the material layers 3a to 3d on both sides of the symmetry axis of the stack is different. As a result, the force applied by the bending actuator is increased.
Figur 3 zeigt 4 Ausführungsbeispiele für einen Informationswandler gemäß der vorliegenden Erfindung. Dargestellt ist je- weils die Grundfläche des Biegewandlers in der Aufsicht. Im Querschnitt kann jede der Ausführungsformen 3a bin 3d einen Aufbau nach jeder der Figuren 2a bis 2c aufweisen.Figure 3 shows 4 embodiments of an information converter according to the present invention. Shown is because the base of the bending transducer in the supervision. In cross-section, each of the embodiments 3a-3d can have a construction according to each of FIGS. 2a to 2c.
Figur 3a zeigt einen Biegewandler mit einer Grundfläche in Form eines gleichseitigen Dreiecks. Für Aspektverhältnisse der Länge zur Breite von 2:3 bis 20:3 weist die Basis einen Innenwinkel von 53° bis 84° auf. Mittels der Bernoullie- Biegetheorie wird ein bimorpher Schichtaufbau in dreieckiger Ausführung gemäß der Erfindung mit einem flächen- und volumengleichen rechteckigen Aufbau gemäß dem Stand der Technik verglichen. Hierzu wird der erfindungsgemäße Biegewandler an oder nahe der Grundkante des gleichseitigen Dreiecks eingespannt. Die Bewegung wird an der gegenüberliegenden Dreiecks- spitze abgegriffen. Die Höhe des Dreiecks entspricht der Länge des rechteckigen Informationswandlers.Figure 3a shows a bending transducer with a base in the form of an equilateral triangle. For aspect ratios of length to width from 2: 3 to 20: 3, the base has an interior angle of 53 ° to 84 °. By means of the Bernoullie bending theory, a bimorphous layer structure in triangular design according to the invention is compared with a surface and volume-identical rectangular structure according to the prior art. For this purpose, the bending transducer according to the invention is clamped at or near the base edge of the equilateral triangle. The movement is tapped off at the opposite triangle tip. The height of the triangle corresponds to the length of the rectangular information converter.
Hierbei hat sich gezeigt, dass die maximal mögliche Auslenkung des Bimorphen Wandlers von der Geometrie unabhängig ist. Diese Auslenkung berechnet sich zuIt has been shown that the maximum possible deflection of the bimorph transducer is independent of the geometry. This deflection is calculated too
0 4 h 0 4 h
Hierbei bezeichnet xo die Auslenkung, Eel das elektrische Feld, welches innerhalb der piezoelektrischen Materiallage 3 herrscht, h deren Dicke und 1 die Länge des rechteckigen In- formationswandlers bzw. die Höhe des dreieckigen Informationswandlers .Here xo denotes the deflection, E el the electric field which prevails within the piezoelectric material layer 3, h their thickness and 1 the length of the rectangular information converter or the height of the triangular information converter.
Für die Blockierkraft des rechteckigen Wandlers giltFor the blocking force of the rectangular converter applies
FB=-.E.Ed.b — Hierbei bedeutet FB die Blockierkraft, E der Elastizitätsmodul und b die Breite an der Einspannung.F B = -. EE d .b - Herein, the blocking force F B, E the modulus of elasticity and b is the width of the clamp.
Überraschenderweise konnte gezeigt werden, dass die Blockierkraft des dreieckigen Wandlers der nachfolgenden Formel ge- horcht: Fa = - - E - E„, - b —Surprisingly, it could be shown that the blocking force of the triangular transducer corresponds to the following formula: F a = - - E - E ", - b -
Somit ist die Blockierkraft des dreieckigen Wandlers um ein Drittel größer als die des volumengleichen Wandlers nach dem Stand der Technik.Thus, the blocking force of the triangular transducer is one-third larger than that of the prior art volume converter.
Als Güte eines Biegewandlers wird das Produkt aus Blockierkraft und Leerlaufauslenkung bezeichnet. Die Güte hat somit die Einheit einer Energie und gibt somit das theoretisch mög- liehe Arbeitsvermögen eines Biegeaktors bzw. die in einemThe quality of a bending transducer is the product of blocking force and idling deflection. The quality therefore has the unity of an energy and thus gives the theoretically possible working capacity of a bending reactor or in one
Sensor erzeugte Signalspannung an. Da die Blockierkraft des erfindungsgemäßen Informationswandlers ein Drittel über dem bekannten Wandler liegt, die Leerlaufauslenkung jedoch in beiden Fällen identisch ist, ergibt sich auch für das Güte- kriterium ein Wert, welcher um ein Drittel über dem Stand der Technik liegt.Sensor generates signal voltage. Since the blocking force of the information converter according to the invention is one third above the known converter, but the idling deflection is identical in both cases, a value which is one third above the prior art also results for the quality criterion.
Auch die mechanische Normalspannung an der Einspannung, welche im Verbundstreifen durch Zurückbiegen in die entgegenge- setzte Extremlage induziert wird, wird durch die erfindungsgemäße Form des Informationswandlers positiv beeinflusst. So ergibt sich die mechanische Spannung eines Informationswandlers nach dem Stand der Technik zu σ(z) _ 9 z S1E ~ ~Äh Demgegenüber zeigt ein Wandler gemäß der vorliegenden Erfindung eine mechanische Spannung von σ(z) _ 3 z S1E ~ 2 hThe mechanical normal stress on the clamping, which is induced in the composite strip by bending back into the opposite extreme position, is positively influenced by the inventive form of the information converter. Thus, the mechanical stress of an information converter according to the prior art to σ (z) _ 9 z S 1 E ~ ~ Äh In contrast, a transducer according to the present invention, a mechanical stress of σ (z) _ 3 z S 1 E ~ 2 h
Die mechanische Normalspannung im Material des Informationswandlers ist also bei der erfindungsgemäßen Form um 1/3 abge- senkt. Dadurch ergibt sich eine höhere Betriebsfestigkeit und eine längere Einsatzzeit bis zum Ausfall des Informationswandlers .The mechanical normal stress in the material of the information converter is thus reduced by 1/3 in the case of the mold according to the invention. This results in a higher operational stability and a longer operating time until the failure of the information converter.
Die hier anhand eines piezokeramischen Biegeaktors darge- stellten Ergebnisse gelten sinngemäß auch für Bi-Metall- aktoren, magnetostriktive Aktoren und Formgedächtnisaktoren. Ebenso können die Ergebnisse auf die entsprechenden Sensoren übertragen werden.The results presented here on the basis of a piezoceramic bender actuator apply mutatis mutandis to bi-metal actuators, magnetostrictive actuators and shape memory actuators. Likewise, the results can be transferred to the corresponding sensors.
Der Informationswandler nach Figur 3b weist die Form eines rechtwinkligen Dreiecks auf. Hierdurch ist es möglich, zwei Biegeaktoren punktsymmetrisch zu einem Rechteck zusammenzusetzen. Diese Form ermöglicht die verschnittfreie Herstellung aus einem rechteckigen Halbzeug. Dieser Informationswandler wird an der kürzeren Kathete in eine Halterung 4 eingespannt. Die Bewegung wird dann am Schnittpunkt der längeren Kathete mit der Hypotenuse abgegriffen. Für Aspektverhältnisse der Länge zur Breite von 2:3 bis 20:3 weist die Basis einen Innenwinkel von 34° bis 80° auf.The information converter according to FIG. 3b has the shape of a right-angled triangle. This makes it possible to put two bending actuators point-symmetrical to a rectangle. This shape enables the production of a rectangular semi-finished product without cutting. This information converter is clamped to the shorter catheter in a holder 4. The movement is then tapped at the intersection of the longer catheter with the hypotenuse. For aspect ratios of length to width from 2: 3 to 20: 3, the base has an interior angle of 34 ° to 80 °.
Um die mechanische Belastbarkeit am Abgriff zu erhöhen, wird beim trapezförmigen Informationswandler nach Figur 3c eine größere Fläche an dem der Einspannung gegenüberliegenden Ende vorgesehen. Diese Form ergibt sich dadurch, dass der drei- eckige Wandler nach Figur 3a gewissermaßen an seiner Spitze gekürzt wird. Die tatsächliche Breite am Abgriff und damit den Öffnungswinkel α nahe der Einspannung wird der Fachmann jeweils entsprechend dem gewünschten Einsatzzweck wählen. Dabei ist die maximal mögliche Belastbarkeit am Abgriff gegen den Anstieg des Gütekriteriums und die Reduktion der mechanischen Spannung an der Einspannung abzuwägen.In order to increase the mechanical load capacity on the tap, the trapezoidal information converter according to FIG. 3c provides a larger area at the end opposite the clamping. This shape results from the fact that the triangular transducer according to FIG. 3a is effectively shortened at its tip. The actual width at the tap and thus the opening angle α near the clamping will be selected by the skilled person according to the desired application. In this case, the maximum possible load capacity at the tap against the increase of the quality criterion and the reduction of the mechanical stress at the clamping should be weighed.
Die Ausführungsform nach Fig. 3d weist zwei rechte Winkel auf, sodass durch Punktspiegelung eines Wandlers zwei Wandler zu insgesamt einer rechteckigen Außenform zusammengesetzt werden können. Dadurch ergibt sich wieder eine Minimierung des Verschnitts wie bereits bei der Ausführungsform nach Figur 3b. Diese Form ergibt sich gedanklich dadurch, dass der dreieckige Wandler nach Figur 3b gewissermaßen an seiner Spitze gekürzt wird. Dadurch wird wiederum die Belastbarkeit am Abgriff erhöht. Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Informationswandlers werden bevorzugt zunächst mindestens zwei Materiallagen schersteif miteinander zu einem Halbzeug verbunden, wobei zumindest in einer Materiallage eine Längenänderung induzierbar ist. Das Halbzeug weist dabei eine Größe auf, welche mehreren einsatzbereiten Informationswandlern entspricht. Diese werden daraufhin in einem weiteren Verfahrensschritt aus dem Halbzeug vereinzelt. Fallweise wird der Fachmann jedoch auch vorsehen, zunächst Einzelteile eines Informationswandlers aus einzelnen Materiallagen zu separieren, und diese dann zum fertigen Wandler schersteif zusammenzufügen.The embodiment according to FIG. 3d has two right angles, so that two transducers can be assembled to a total of one rectangular outer shape by point mirroring of a transducer. This again results in a minimization of the crop as in the embodiment according to FIG. 3b. This form is theoretically due to the fact that the triangular transducer of Figure 3b is effectively shortened at its tip. This in turn increases the load capacity at the tap. To produce an information converter according to the invention, preferably at least two layers of material are first of all connected to each other in a shear-resistant manner to form a semifinished product, wherein a change in length can be induced at least in one material layer. The semi-finished product has a size which corresponds to several information converters ready for use. These are then separated in a further process step from the semifinished product. In some cases, however, the person skilled in the art will also provide for initially separating individual parts of an information converter from individual material layers, and then joining these together to form the finished transducer in a shear-resistant manner.
Das Vereinzeln erfolgt durch spanendes oder nicht spanendes Trennen. Beispielsweise können Sollbruchstellen in das Mate- rial eingebracht werden, entlang derer die Informationswandler dann durch Brechen vereinzelt werden. Für einen Biegewandler nach Figur 1 erfolgt dabei die Schnittführung wie in Fig. 4a dargestellt.The separation takes place by cutting or not cutting. For example, predetermined breaking points can be introduced into the material, along which the information converters are then separated by breaking. For a bending transducer according to Figure 1, the cutting takes place as shown in Fig. 4a.
Ein erfindungsgemäßer Biegewandler nach Fig. 3a kann wie in Fig. 4b) dargestellt gefertigt werden. Zunächst werden erste Sollbruchkanten im Wesentlichen rechtwinklig zu den Außenkanten des Halbzeugs eingebracht. Der Abstand dieser Sollbruchkanten entspricht dabei der Höhe 1 des fertigen Wandlers zu- züglich der Einspannlänge, mit welcher dieser im Halter 4 eingesetzt ist. Als nächstes werden Sollbruchkanten schräg über das Substrat verlaufend angebracht. Der Winkel ist dabei so gewählt, dass dieser dem Basiswinkel α des Wandlers entspricht. Entsprechend dem gewünschten Aspektverhältnis wird der Winkel zwischen den ersten und zweiten Sollbruchkanten aus dem Bereich von etwa 53° bis etwa 85° gewählt. Als letzter Verfahrensschritt werden dritte Sollbruchkanten eingebracht, welche ebenfalls quer über das gesamte Substrat verlaufen. Diese weisen einen Winkel relativ zu den ersten SoIl- bruchkanten auf, welcher dem Negativen des Winkels zwischen den ersten und zweiten Sollbruchkanten entspricht. Bei der Schnittführung ist dabei zu achten, dass die Schnittpunkte der zweiten und dritten Sollbruchkanten im Wesentlichen auf den ersten Sollbruchkanten zu liegen kommen. Auf diese Weise ergibt sich eine gute Ausnutzung des Halbzeugs, wobei nur am Rand desselben ein Verschnitt übrig bleibt.An inventive bending transducer according to Fig. 3a can be manufactured as shown in Fig. 4b). First, first predetermined breaking edges are introduced substantially at right angles to the outer edges of the semifinished product. The distance between these predetermined breaking edges corresponds to the height 1 of the finished transducer, plus the clamping length with which it is inserted in the holder 4. Next, predetermined breaking edges are made to extend obliquely over the substrate. The angle is chosen so that it corresponds to the base angle α of the transducer. According to the desired aspect ratio, the angle between the first and second predetermined breaking edges is selected from the range of about 53 ° to about 85 °. As the last method step, third predetermined breaking edges are introduced, which likewise run transversely over the entire substrate. These have an angle relative to the first sole fracture edges, which corresponds to the negative of the angle between the first and second predetermined fracture edges. When cutting, it is important to ensure that the intersections the second and third predetermined breaking edges come to lie substantially on the first predetermined breaking edges. In this way, there is a good utilization of the semifinished product, wherein only on the edge of a waste remains.
In Figur 4c wird die Herstellung eines Informationswandlers gemäß Figur 3b beschrieben. Dabei werden zunächst erste und zweite Sollbruchkanten angebracht, wie nach dem Verfahren nach Figur 4b beschrieben. Dabei schließen die zweiten SoIl- bruchkanten mit den ersten Sollbruchkanten einen Winkel ß ein, welcher dem Winkel zwischen der kurzen Kathete und der Hypotenuse des fertigen Wandlers entspricht. Für ein Aspektverhältnis von 2:3 bis 20:3 wird der Winkel ß aus dem Bereich von 34° bis 80° gewählt.FIG. 4c describes the production of an information converter according to FIG. 3b. First, first and second predetermined breaking edges are attached, as described by the method according to FIG. 4b. In this case, the second solitary rupture edges with the first predetermined rupture edges enclose an angle β which corresponds to the angle between the short catheter and the hypotenuse of the finished transducer. For an aspect ratio of 2: 3 to 20: 3, the angle β is selected from the range of 34 ° to 80 °.
Die dritte Sollbruchkante wird nun wieder rechtwinklig zur ersten Sollbruchkante in das Material eingebracht, wobei diese stets durch die Schnittpunkte der ersten und zweiten Sollbruchkanten verläuft. Im Ergebnis kann entlang der so einge- brachten Sollbruchkanten ein rechteckiges Halbzeug vollständig zu Informationswandlern vereinzelt werden, ohne dass ein ungenutzter Verschnitt übrig bleibt. The third predetermined breaking edge is again introduced at right angles to the first predetermined breaking edge into the material, this always running through the intersections of the first and second predetermined breaking edges. As a result, a rectangular semi-finished product can be completely separated into information converters along the predetermined breaking edges thus introduced, without leaving any unused waste.

Claims

Patentansprüche claims
1. Informationswandler, bestehend aus mindestens 2 Materiallagen mit polygonaler Grundfläche, welche schersteif miteinander verbunden sind und wobei zumindest in einer Materiallage eine Längenänderung induzierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die polygonale Grundfläche zumindest zwei verschiedene Innenwinkel aufweist.1. Information converter, consisting of at least 2 layers of material with a polygonal base, which are shear-stiff connected to each other and wherein at least in a material layer, a change in length is inducible, characterized in that the polygonal base has at least two different internal angles.
2. Informationswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die polygonale Grundfläche zumindest ei- nen in etwa rechten Innenwinkel umfasst2. Information converter according to claim 1, characterized in that the polygonal base area comprises at least one NEN approximately right interior angle
3. Informationswandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die polygonale Grundfläche zumindest einen Innenwinkel von etwa 35° bis etwa 85° umfasst . 3. Information converter according to one of claims 1 or 2, characterized in that the polygonal base area comprises at least an internal angle of about 35 ° to about 85 °.
4. Informationswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die polygonale Grundfläche zumindest einen Innenwinkel von etwa 55° bis etwa 80° umfasst4. Information converter according to claim 3, characterized in that the polygonal base area comprises at least one inner angle of about 55 ° to about 80 °
5. Informationswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die polygonale Grundfläche 3 oder 4 Eckpunkte aufweist.5. Information converter according to one of claims 1 to 4, characterized in that the polygonal base has 3 or 4 vertices.
6. Informationswandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die polygonale Grundfläche 3 Eckpunkte aufweist .6. Information converter according to claim 5, characterized in that the polygonal base has 3 vertices.
7. Informationswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt der mindestens 2 Materiallagen entlang der größten Ausdehnung der polygonalen Grundfläche vermindert.7. Information converter according to one of claims 1 to 6, characterized in that the cross section of the at least two layers of material decreases along the largest extent of the polygonal base.
8. Informationswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des größten Querschnitts der mindestens 2 Materiallagen eine mechanische Halterung vorgesehen ist. 8. Information converter according to one of claims 1 to 7, characterized in that a mechanical support is provided in the region of the largest cross section of the at least 2 material layers.
9. Informationswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Materiallage ein Material enthält, welches einen piezoelektrischen Effekt zeigt. 9. Information converter according to one of claims 1 to 8, characterized in that at least one material layer contains a material which exhibits a piezoelectric effect.
10. Informationswandler nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung vorgesehen ist, mit welcher innerhalb des piezoelektrischen Materials ein elektrisches Feld parallel oder antiparallel zur Richtung der Polarisation erzeugbar ist. 10. Information converter according to claim 9, characterized in that a device is provided, with which within the piezoelectric material, an electric field parallel or anti-parallel to the direction of polarization can be generated.
11. Informationswandler nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung der Polarisation des piezoelektrischen Materials im Wesentlichen senkrecht auf der Grenzfläche der mindestens zwei Materiallagen steht. 11. Information converter according to one of claims 9 or 10, characterized in that the direction of polarization of the piezoelectric material is substantially perpendicular to the interface of the at least two layers of material.
12. Informationswandler nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Material mindestens ein Blei-Zirkonat-Titanat und/oder ein Blei-Magnesium-Niobat enthält.12. Information converter according to one of claims 9 to 11, characterized in that the piezoelectric material contains at least one lead zirconate titanate and / or a lead magnesium niobate.
13. Informationswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Biegeaktor um- fasst .13. Information converter according to one of claims 1 to 12, characterized in that it comprises a bending actuator.
14. Informationswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Sensor umfasst.14. Information converter according to one of claims 1 to 12, characterized in that it comprises a sensor.
15. Informationswandler nach Anspruch 14, dadurch gekenn- zeichnet, dass es sich um einen Temperatursensor handelt.15. Information converter according to claim 14, characterized in that it is a temperature sensor.
16. Informationswandler nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Beschleunigungssensor handelt . 16. Information converter according to claim 14, characterized in that it is an acceleration sensor.
17. Verfahren zur Herstellung eines Informationswandlers, bei welchem mindestens 2 Materiallagen schersteif miteinander zu einem Halbzeug verbunden werden, wobei zumindest in einer Materiallage eine Längenänderung indu- zierbar ist, und nachfolgendes Vereinzeln von Informationswandlern aus dem Halbzeug entlang von Sollbruchkanten, dadurch gekennzeichnet, dass erste Sollbruchkanten im wesentlichen rechtwinklig zu den Außenkanten des Halbzeuges eingebracht werden und zweite Sollbruchkanten einen Winkel von etwa 35° bis etwa 85° zu den ersten Sollbruchkanten aufweisen.17. A method for producing an information converter in which at least two layers of material are joined together to form a semifinished product, wherein a change in length can be induced at least in one material layer, and subsequent singulation of information converters from the semifinished product along predetermined breaking edges, characterized in that the first Sollbruchkanten be introduced substantially at right angles to the outer edges of the semifinished product and second predetermined breaking edges have an angle of about 35 ° to about 85 ° to the first predetermined breaking edges.
18. Verfahren zur Herstellung eines Informationswandlers nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass dritte Sollbruchkanten im Wesentlichen rechtwinklig zu den ers- ten Sollbruchkanten vorgesehen sind und die zweiten18. A method for producing an information converter according to claim 17, characterized in that third predetermined breaking edges are provided substantially at right angles to the first predetermined breaking edges and the second
Sollbruchkanten durch die Schnittpunkte der ersten und dritten Sollbruchkanten verlaufen.Sollbruchkanten run through the intersections of the first and third predetermined breaking edges.
19. Verfahren zur Herstellung eines Informationswandlers nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass dritte Sollbruchkanten vorgesehen sind, welche einen Winkel von etwa -35° bis etwa -85° zu den ersten Sollbruchkanten aufweisen und die Schnittpunkte der zweiten und dritten Sollbruchkanten im Wesentlichen auf den ersten Sollbruchkanten zu liegen kommen. 19. A method for producing an information converter according to claim 17, characterized in that third predetermined breaking edges are provided which have an angle of about -35 ° to about -85 ° to the first predetermined breaking edges and the intersections of the second and third predetermined breaking edges substantially on the first predetermined breaking edges come to rest.
20. Verfahren zur Herstellung eines Informationswandlers nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen den dritten und ersten Sollbruchkanten dem Negativen des Winkels zwischen den zweiten und ersten Sollbruchkanten entspricht. 20. A method for producing an information converter according to claim 19, characterized in that the angle between the third and first predetermined breaking edges corresponds to the negative of the angle between the second and first predetermined breaking edges.
21. Verfahren zur Herstellung eines Informationswandlers nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Sollbruchkanten einen Winkel von etwa 55° bis etwa 80° zu den ersten Sollbruchkanten aufweisen . 21. A method for producing an information converter according to one of claims 17 to 20, characterized in that the second predetermined breaking edges have an angle of about 55 ° to about 80 ° to the first predetermined breaking edges.
22. Verfahren zur Herstellung eines Informationswandlers nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens 2 Materiallagen schersteif miteinander durch Klebung verbunden werden. 22. A method for producing an information converter according to one of claims 17 to 21, characterized in that the at least two layers of material are shear-stiffly connected to each other by gluing.
23. Verfahren zur Herstellung eines Biegeaktors nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens 2 Materiallagen schersteif miteinander versintert werden.23. A method for producing a bending actuator according to any one of claims 17 to 21, characterized in that the at least two layers of material are sintered shear stiff together.
24. Zeigerinstrument mit einem Biegeaktor nach einem der An- sprüche 1 bis 16 24. Pointer instrument with a bending actuator according to one of the claims 1 to 16
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