NL8105502A - Werkwijze voor het vervaardigen van een piezo-elektrische inrichting alsmede een inrichting vervaardigd volgens deze werkwijze. - Google Patents

Description

i » ¢4 ΕΗΝ 10.215 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven . — "Werkwijze voor het vervaardigen van een piezo-electrische inrichting alsmede een inrichting vervaardigd volgens deze werkwijze".

De uitvinding betreft een werkwijze voor het vervaardigen van een piezo-electrische inrichting waarbij een aantal vlakke plaatjes van een polariseerbaar piezo-keramisch materiaal qp elkaar warden gestapeld onder tussenvoeging tussen elk paar plaatjes van een metaal-5 plaatje, waarna de stapel aan beide uiteinden wordt voorzien van een eindplaat en de beide eindplaten met behulp van één of meer voorspanelementen met elkaar worden verbanden en naar elkaar toegedrukt zodat de stapel plaatjes onder voorspanning wordt gezet, waarbij de metaalplaat j es omen cm met een van twee electrodes worden verbonden.

10 Een piezo-electrische inrichting van de soort waarop de on derhavige uitvinding betrekking heeft is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift 2,473,835. Deze bekende inrichting omvat een stapel piezo-keramische plaatjes welke zijn opgencmen in een cilindrische bus welke spelingsvrij tegen de zijwand van de stapel aanligt. Het gaat bij 15 de2e bekende inrichting cm trillingen in een richting dwars op de hartlijn van de stapel en cm de invloed van de eindplaten te minimaliseren is de bus aan de einden voorzien van een ringvormige groef.

Bij een andere uit het Britse octrooischrift 1,387,323 bekende inrichting gaat het om de lengteverander ingen van een stapel kera-20 mische plaatjes in de axiale richting van de stapel. Daar deze lengtever ander ingen via de eindplaten aan de omgeving kunnen worden overgedragen is het van groot belang dat deze platen spelingsvrij tegen de stapel aanliggen, terwijl ook spelingen in de stapel zoveel mogelijk vermeden dienen te worden. Cm dat te bereiken worden de platen met 25 voorspanning tegen de stapel gedrukt. Hiertoe wordt gebruik gemaakt van een cilindrische bus welke met de eindplaten is verbonden en zover wordt uitgerekt dat de gewenste voorspanning wordt verkregen.

Uit de praktijk is het ook bekend cm de stapel onder voorspanning te zetten met behulp van een centrale bout waarbij de eind-30 platen dan met behulp van moeren tegen de stapel worden aangedrukt.

Een nadeel van zowel de genoemde cilindrische bus als de centrale bout is hun grote stijfheid, dat wil zeggen dat in het gebied van de gewenste voorspanning elke lengte verandering van bus of bout 8105502 EHN 10.215 2 met een. relatief groe krachttoename gepaard gaat. De piezo-electrische stapel moet zich tegen de® kracht dn verlengen wat uiteraard moeizaam gaat. De stijfheid van de voorspan-bus of bout verminderd dus de werking van de Inrichting.

5 Een verder nadeel van de bekende inrichtingen is dat het vervaardigen daarvan een betrékkelijk dure aangelegenheid is hetgeen voor een deel zijn oorzaak vindt in het feit dat het gebruikelijk is om· de plaatjes voor assemblage te polariseren.

De uitvinding beoogt een werkwijze voor het vervaardigen 10 van een inrichting van de hiervoor aangeduide soort te verschaffen, waarbij een goedkopere en betere constructie wordt verkregen dan bij de békende inrichtingen.

De werkwijze volgens de uitvinding vertoont daartoe het kenmerk, dat de keramische plaatjes in ongepolariseerde toestand worden 15 gestapeld en de metaalplaatjes in direct contact met het keramiek worden gebracht, waarna het voorspanelement zo wordt gekozen dat dit een grote voorspankracht op de stapel uitoefent en een vlakke veerkarak-teristiek vertoont, waarna door het aanleggen van de benodigde spanning aan de electroden, eventueel gecombineerd met het op hogere temperatuur 20 brengen van de inrichting de keramiek plaatjes worden gepolariseerd.

Door het toepassen van een voorspanelement met een vlakke veerkarakteristiek kan thans een grote voorspankracht worden aangelegd.

Hierdoor worden alle spelingen in de stapeling zeer effectief weggedrukt. Hierdoor is het ookmogeljk geworden om de plaatjes na 25 assemblage pas te polariseren. De grote voorspankracht gaat ten eerste vormveranderingen van de plaatjes bij het polariseren tegen en mocht er toch wat vormverandering optreden dan worden de metalen tussenplaatj es zo krachtig tegen de keramische plaatjes gedrukt dat toch altijd voldoende contact tussen de metaalplaatjes en de keramische plaatjes is 30 gewaarborgd.

Wanneer voor de keramische plaatjes de materialen beschreven in de Nederlandse octrooiaanvrage 7903964 worden toegepast dan kan het polariseren bij kamertemperatuur plaatsvinden. Worden andere materialen toegepast dan zal eventueel de inrichting bij het polariseren op een 35 wat hogere temperatuur moeten worden gebracht.

De uitvinding betreft tevens een inrichting vervaardigd volgens de werkwijze alsmede een inrichting welke een aantal op elkaar gestapelde vlakke plaatjes van een polariseerbaar piezo-keramisch 8105502 HJN 10.215 3 materiaal bevat welke zijn opgenomen tassen twee eindplaten die door één of meer voorspanelementen zo zijn verbonden dat de stapel plaatjes onder voorspanning staat, waarbij tussen elk paar naburige plaatjes een dun metaalplaat je ligt waarbij de metaalplaatj es om en om met een elec-5 trode zijn verbonden. Deze inrichting is volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat elk van de metaalplaatj es in direct contact is met het keramisch materiaal van de betreffende plaatjes en het voorspanelement een grote voorspankracht uitoefent en een vlakke veerkarakteristiék heeft.

De inrichting volgens de uitvinding vertoont volgens een 10 verdere uitvoering het kenmerk, dat de cilindrische bus in een aantal eerste, dwars op de hartlijn van de bus staande, vlakken is voorzien van twee ter weerszijden van een eerste diametrale zone gelegen uitsparingen en in een aantal, om en cm tussen de eerste gelegen, tweede vlakken op dezelfde wijze is voorzien van twee ter weerszijden van een tweede dials metrale zone gelegen uitsparingen, waarbij de beide diametrale zones een hoek met elkaar insluiten.

Op deze wijze is een cilindrisch voarspanhos verkregen welke in radiale richting zeer robuust kan zijn uitgevoerd, in axiale richting de nodige voorspankracht kan leveren en verder een vlak verlopende veer-20 karakteristiek vertoont. Dit betekent dat de stapel plaatjes met flinke voorspankracht kan worden belast zodat alle spelingen zijn weggedrukt terwijl lengteveranderingen niet worden tegengewerkt door een ontoelaatbaar oplopende veerkracht.

Onder andere tengevolge van het feit dat de voorspankracht 25 bij de bekende constructies beperkt moest blijven worden bij deze constructies de kqpvlakken van elk van de keramische plaatjes bijvoorbeeld door opdampen voorzien van een dunne metaallaag bijvoorbeeld een dun laagje zilver zodat ook bij de geringe voorspankracht een voldoende contact met de electroden wordt verkregen. De electroden worden daarbij 30 gevormd door twee metaalfolies welke cm en cm tussen de keramische plaatjes zijn gewikkeld. Het metalliseren van de kopvlakken van elk van de keramische plaatjes is een zeer bewerkelijke en dure operatie en heeft verder nog het nadeel dat door de voortgaande diffusie van het metaal in het keramische materiaal er vaak sluiting ontstaat tussen de 35 beide kopvlakken.

Bij de inrichting volgens de uitvinding zijn deze bezwaren ondervangen doordat elk van de metaalfolies in direct contact is met het keramische materiaal van de plaatjes. Dit is mogelijk geworden doordat 8105502 Γ·

V

ΡΗΝ 10.215 4 ο een grotere voorspanning toelaatbaar is welke de metaalfolies zo innig tegen de plaatjes drukt dat zonder de metaal-tussenlaag toch voldoende contact tussen electroden en plaatjes tot stand kant.

Een verder voordeel van deze inrichting is dat de keramische 5 plaatjes omgepolariseerd in de inrichting kunnen worden opgenomen zodat het gebruikelijke vooraf polariseren van de afzonderlijke plaatjes niet meer nodig is. Verdwijnt door een of andere oorzaak tijdens bedrijf de polarisatie dan kan deze gemakkelijk en zander demontage worden hersteld door de gewenste spanning aan de electroden te leggen en de inrichting 10 al dan niet op de benodigde temperatuur te brengen.

Aan de hand van de tekening zal de uitvinding nader worden toegelicht.

In figuur 1. is een piezo-electrische inrichting schematisch in doorsnede weergegeven.

15 In figuren 2 en 3 zijn respectievelijk de cilindrische voor- spanbus en de stapel piezo-keramische plaatjes van de inrichting volgens figuur 1 in perspectief weergegeven.

In de tekening zijn met het verwijzingscijfer 1 een aantal op elkaar gestapelde piezo-keramische plaatjes aangeduid.

20 Metaalfolies 2 en 3 zijn onder 90 gekruist om en om tussen keramische plaatjes 1 gewikkeld zodat elk plaatje met één kopvlak in contact is met de ene folie en met het andere kopvlak met de andere folie. De metaalfolies maken contact met spanningsgeleiders 14 en 15 die door de moer 5 naar buiten zijn gevoerd.

25 De stapeling van de plaatjes 1 is opgenomen tussen twee als eindplaten dienende moeren 4 en 5.

De moeren 4 en 5 zijn geschroefd in een cilindrische voor- spanbus 6.

Teneinde deze bus 6 een veerkarakteristiek te geven zodanig 30 dat in het gebied van de gewenste voorspankracht de veerkarakteristiek vlak verloopt is de bus voorzien van een aantal eerste uitsparingen 7 welke liggen in dwars op de hartlijn staande vlakken en van beide zijden ' van de bus insnijden tot twee ruggen 8 overblijven. Alle ruggen 8 liggen daarbij in een eerste diametrale zone.

35 Verder is de bus 6 voorzien van een aantal tweede uitsparingen 10 welke eveneens van beide zijden de bus insnijden tot twee ruggen 11 overblijven die liggen in een tweede diametrale zone welke nagenoeg loodrecht staat qp de zone waarin de ruggen 8 liggen.

8105502

tr '•C

EHN 10.215 5

Op deze wijze is een voorspanbus verkregen wélke in radiale richting zeer stevig is en een goede bescherming voor de stapel keramische plaatjes biedt. In axiale richting kan de bus een grote voorspankracht uitoefenen waarbij de veerkarakteristiék toch relatief vlak 5 verloopt wat wil zeggen dat een verdere lengteverandering slechts met weinig krachttoename gepaard gaat.

Door de mogelijkheid een grote voorspankracht aan te leggen kunnen nu de electrcden 2 en 3 direct contact maken met de, niet van te voren van qpgedanpte mstaalvlakken voorziene, keramiek plaatjes. De ta grote spankracht drukt nu als het ware het metaal van de electroden in het keramiek van de plaatjes. Na de assemblage kan nu door het aanleggen van de benodigde spanning aan de electroden 14 en 15 de keramiek plaatjes worden gepolariseerd.

In praktische uitvoering bestond de keramische stapeling uit 15 100 plaatjes van 10 irm buitendiameter en 0,5 mn dik. Ms electroden is toegepast koperfolie van 20 yum dik en 7 mm breed. De voorspanbus heeft een binnendiameter van 20 mm en een wanddikte van 1,5 nm.

5 —1

De stijfheid van de bus bedroeg + 5.10 Ma en op de stapeling wordt door deze bus een voorspankracht van 16öo N uitgeoefend.

20 Deze inrichting geeft hij een spanningsverschil van 700 V

aan de electroden en lengteverandering van 50 yUm in ongeveer 10 p. sec.

De voordelen van de inrichting volgens de uitvinding zijn samengevat, een hoge werkingsgraad, solide en spelingsvrij door de hoge mechanische voorspanning zonder ontoelaatbare tegenwerking van de qp-25 lopende veerkracht, goedkoop door gebruik van eenvoudige onderdelen en vooral door gebruik van niet voorbewerkt keramische plaatjes (niet gepolariseerd en niet voorzien van metaalaag) een verder een lage elec-trische capaciteit zodat de inrichting weinig stroom vraagt.

Bij de inrichting volgens de uitvinding behoeven de kera-30 mische plaatjes niet van te voren worden gepolariseerd maar kan dit polariseren in geassembleerde toestand plaatsvinden door de hele inrichting op de benodigde temperatuur te brengen en dan de benodigde spanning aan de electroden aan te leggen.

8105302 35

Claims (4)

1. Werkwijze voor het vervaardigen van een piezo-electrische inrichting waarbij een aantal vlakke plaatjes van een polariseer baar piezo-keramisch materiaal op elkaar worden gestapeld onder tussenvoeging tussen elk paar plaatjes van een metaalplaatje, 5 waarna de stapel aan beide uiteinden wordt voorzien van een eindplaat en de beide eindplaten met behulp van een of meerrvoorspanelementen met elkaar worden verbonden en naar elkaar worden toegedrukt zodat de stapel plaatjes onder voorspanning wordt gezet, waarbij de metaalplaatjes on en on met een electrode worden verbonden, met het kenmerk, dat de 10 keramische plaatjes in ongepolariseerde toestand worden gestapeld, en de metaalplaatjes in direct kontakt met het keramisch materiaal worden gebracht waarna het voorspanelement zo wordt gekozen dat dit een grote vocrspankracht op de stapel uitoefent, en een vlakke veerkarakteris-tiék vertoont, waarna door het aanleggen van de benodigde spanning aan 15 de electrodes, eventueel gecombineerd met het op hogere temperatuur brengen van de inrichting, de keramiek plaatjes worden gepolariseerd.

2. Piezo-elektrische inrichting vervaardigd met de werkwijze volgens conclusie 1.

3. Piezo-electrische inrichting bevattende een aantal op elkaar 20 gestapelde vlakke plaatjes van een polariseerbaar piezo-keramisch materiaal, welke zijn opgenanen tussen twee eindplaten, die door één of meer voorspanelementen zo zijn verbonden dat de stapel plaatjes onder voorspanning staat, waarbij tussen elk paar naburige plaatjes een dun metaalplaatje ligt, waarbij de metaalplaatjes cm en om met een spanningsgelei-, 25 der zijn verbonden,met het kenmerk, dat elk van de metaalplaatjes in direct kontakt is met het keramische materiaal van de betreffende plaatjes en het voorspanelement een grote voor spankracht uitoefent en een vlakke veerkarakteristiek heeft.

4. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het 30 voorspanelement is gevormd door een cilindrische bus welke in een aantal eerste, dwars op de hartlijn van de bus staande, vlakken is voorzien van twee ter weerszijden van een eerste diametrale zone gelegen uitsparingen en in een aantal, om en om tussen de eerste gelegen, tweede vlakken op dezelfde wijze is voorzien van twee ter weerszijden van een tweede diame-35 trale zone gelegen uitsparingen waarbij de beide diametrale zones een hoek met elkaar insluiten. 8105302