SE453339B - Metod for framstellning av en piezoelektrisk anordning och en piezoelektrisk anordning framstelld med metoden - Google Patents

Description

453 339 2 framställning av en anordning av angivet slag som erbjuder en konstruktionsfonm vilken är billigare och bättre än den för den förut kända anordningen.

Enligt uppfinningen tillhandahålls en metod för framställning av en piezo- elektrisk anordning i vilken ett flertal plana plattor av polariserbart piezo- keramiskt material staplas med en mellanliggande metallplatta mellan varje par av plattor, varefter stapeln förses med en ändplatta vid båda ändar, varvid de två ändplattorna förbinds mekaniskt medelst ett eller flera förspänningselement anordnade att pressa ändplattorna mot varandra så att stapeln av plattor för- spänns, och varvid metallplattorna ansluts växelsvis till den ena respektive den andra av två anslutningselektroder, kännetecknad av att de keramiska plat- torna staplas i ett opolariserat tillstånd och metallplattorna bringas i direkt kontakt med det keramiska materialet, varefter ett förspänningselement an- bringas så att det utövar en relativt stor förspänning på stapeln och uppvisar en förhållandevis flack fjäderkaraktäristik, varefter de keramiska plattorna polariseras genon att den nödvändiga spänning anbringas på elektroderna, om nödvändigt i kombination med att värme tillförs anordningen. Med en förhållan- devis flack fjäderkaraktäristik avses häri en fjäderlik återställande kraft som kring 20% över arbetsom- inte varierar påtagligt, dvs exempelvjs inte mer än om rådet för den piezoelektriska stapelns utsträckning.

Som resultat av användandet av ett förspänningsel vis flack fääderkaraktâristik över det piezoelektriska arbetsområdet kan en förhållandevis stor förspänning anbringas. Med en förhållandevis stor förspän- ning avses häri en sådan som är tillräckligt kraftig för att övervinna varje fritt spel i stapeln, vilket fria spel således kan minskas och elimineras mycket effektivt. Det är även möjligt att använda plattor som inte är försedda med elektroder och att polarisera plattorna efter sammansättning. Med den för- hållandevis stora förspänningen förstås därför vidare häri en sådan förspänning som även är tillräckligt kraftigt för att motverka förändringar i plattornas arisation och, om någon sådan förändring uppträder, pressa de mot de keramiska plattorna att tillräck- ement med en förhållande- form under pol mellanliggande metallplattorna så fast lig kontakt alltid kan säkerställas mellan metallplattorna och de keramiska plattorna utan att de keramiska plattornas ytor behöver metalliseras.

När exempelvis de material som beskrivs i holländska patentansökan 7903964 och i den ekvivalenta europeiska patentansökan SN 0019337 används till keramis- ka plattor, kan polariseringen utföras vid rumstemperatur. När andra material temperaturen hos anordningen till ett -ø används, kan det vara nödvändigt att öka något högre värde under polariseringen. 3 453 339 Uppfinningen avser även en anordning framställd medelst metoden och även en förbättrad anordning som innefattar ett flertal staplade, plana plattor av polariserbart piezo-keramiskt material som är anordnade mellan två ändplattor vilka är mekaniskt förbundna medelst ett eller flera förspänningselement så att stapeln av plattor är utsatt för en förspänning, en tunn metallplatta anordnad mellan varje par av angränsande plattor, varvid metallplattorna är anslutna växelsvis till den ena respektive den andra av två anslutningselektroder. En sådan anordning enligt uppfinningen är kännetecknad av att varje metallplatta är i direkt kontakt med det keramiska materialet hos de tillhörande plana plattorna, varvid förspänningselementet utövar en förhållandevis stor förspän- ning och har en förhållandevis flack fjäderkaraktäristik.

' Ett annat utförande av anordningen enligt uppfinningen är kännetecknat av att förspänningselementet är bildat av en cylindrisk hylsa som, i vart och ett av de första uppsättningen av på avstånd från varandra liggande plan som sträcker sig vinkelrätt mot hylsans centrumaxel, är försett med två utskurna områden vilka är belägna på var sin sida om bryggområden som ligger i ett första diametriskt axialplan och som även på liknande sätt i vart och ett av en andra uppsättning av på avstånd från yarandra belägna plan som sträcker sig vinkelrätt mot centrumaxeln för hylsan och belägna växelvis mellan intilliggan- de plan som bildar första nämnda uppsättning, är försett med två utskurna områ- den som är belägna på var sin sida om bryggområdena som ligger i ett andra dia- metriskt axialplan, varvid de två diametriskt axiella planen är lutar i för- hållande till varandra.

En cylindrisk förspänningshylsa tillhandahålls således som kan vara mycket ojämn i den radiella riktningen, vilken är i stånd att alstra den nödvändiga förspänningen i den axeiella riktningen, och vilken har en förhållandevis flack fjäderkaraktäristik som definerats ovan. Detta innebär att stapeln av plattor kan utsättas för en väsentlig förspänning, så att fritt spel minskas eller väsentligen elimineras, under det att en piezoelektrisk ökning i längd inte kommer att motarbetas av en otillåtet stor ökning i fjäderkraft.

Bland annat på grund av det faktum att förspänningen måste förbli begrän- sad i de kända konstruktionsformerna, försågs ändytorna för var och en av de keramiska plattorna som använts i dessa konstruktioner med ett tunt metallager, exempelvis ett tunt lager av silver, exempelvis genom ångavsättning, så att tillräcklig kontakt med elektroderna är åstadkommen även för små förspänningar.

Elektroderna bildas då av två metallfolier som växelvis lindas mellan de keramiska plattorna. Metalliseringen av ändytorna för var och en av de kera- 455 339 miska plattorna är en mödosam och dänned dyr operation och har även den nack- delen att en fortsatt diffusion av metall i det keramiska materialet ofta orsakar kortslutningar mellan de två ändytorna.

Dessa nackdelar minskas eller övervinns i en anordningen enligt uppfin- ningen genom att varje metallfolie står i direktkontakt med plattornas keramis- ka material. Detta är möjligt eftersom en större förspänning är tillåten som pressar metallfolierna så fast mot den keramiska plattan att god kontakt därmed uppnås mellan elektroderna och de keramiska plattorna även utan närvaro av ett anbringat metallager.

En ytterligare fördel med denna anordning är att de keramiska plattorna kan sättas ihop i anordningen i opolariserat tillstånd, varigenom den vanliga polariseringen av plattorna i förväg inte längre är nödvändig. Skulle av någon' orsak polariseringen försvinna under drift, kan den lätt äterställas utan isär- plockning genom att tillföra den önskade spänningen på elektroderna som är förenade med densamma, om nödvändigt genom att höja temperaturen för anord- ningen till det nödvändiga värdet.

Ett utföringsexempel av uppfinningen kommer nu att beskrivas med exempel med hänvisning till de bifogade ritnipgarna, där fig_l visar ett schematiskt snitt genom en piezoelektrisk anordning enligt uppfinningen, fig 2 och 3 visar perspektivvyer av den cylindriska förspänningshylsan respektive stapeln av piezoelektriskta plattor för den i fig 1 visade anordningen och_fig_§ visar ett ytterligare utföringsexempel pä en piezoelektriskt anordning.

Hänvisningsbeteckningen 1 i ritningen betecknar ett antal staplade piezo- keramiska plattor.

Metallfolier 2 och 3 som korsar varandra med en vinkel på 900 är införda mellan intilliggande keramiska plattor 1 på ett växelvis sätt så att ena änd- ytan av varje platta kontaktar den ena folien, medan den andra ändytan kontak- tar den andra folien. Metallfolierna kontaktar spänningsledarna 14 och 15, vilka är förda ut genom en gängad ändplugg 5.

Stapeln med plattor 1 är anordnad mellan två gängade ändpluggar 4 och 5 som fungerar som ändplattor.

De gängade ändpluggarna 4 och 5 är skruvade in i en cylindriskt förspän- ningshylsa 6.

För att ge hylsan 6 en fjäderkaraktäristik (dvs förhållandet mellan fjäderkraft och utsträckning) som är förhållandevis flack inom det piezo- elektriska operationsomrâdet för den önskade förspänningen är hylsan försedd med en första uppsättning av utskurna områden 7 med lika orientering runt s 453 339 hylsan; 6 axel, vilka är belägna i åtskilda plan som sträcker sig vinkelrätt mot hylsans centrumaxel och som skär hylsan från båda sidor så att två brygg- delar 8 kvarstår. Alla bryggdelar 8 är belägna i ett första diametriskt axial- plan.

Hylsan 6 är även försedd med en andra uppsättning utskurna områden 10 med inbördes lika orientering runt hylsans 6 axel, vilken är skild från de utskurna områdena 7, och vilka områden 10 även skär hylsan från båda sidor så att två bryggdelar 11 återstår som är belägna i ett andra diametriskt axialplan som sträcker sig väsentligen i rät vinkel mot planet i vilket bryggdelarna 8 är belägna.

Således tillhandahålls en förspänningshylsa som är mycket fast i radíell riktning och som erbjuder tillräckligt skydd för stapeln av keramiska plattor.

Hylsan kan utöva en förhållandevis stor förspänning i den axiella riktningen, varvid fjäderkaraktäristiken ändå är jämförelsevis flack över det piezo- elektriska operationsområdet för anordningen, vilket innebär att en varierbar utsträckning endast följs av en förhållandevis liten ökning i den anbringade kraften.

Eftersom en stor förspänning således kan anbringas, kan elektroderna 2 och 3 kontakta de keramiska plattorna direkt utan att någon föregående metallytav- sättning behöver göras därpå. Den förhållandevis stora förspänningen kommer att pressa elektroderna till kontakt med plattornas keramiska material till att i effekt motsvara det för metallbelagda elektroder. Efter sammansättning kan de keramiska plattorna polariseras genom att anbringa den nödvändiga spänningen på elektroderna 14 och 15.

I ett praktiskt utförande bestod den keramiska stapeln av 100 plattor, vilka var och en hade en ytterdiameter på 10 mm och en tjocklek på 0.5 mm.

Elektroderna var gjorda av kopparfolie med en tjocklek på 20 /um och en bredd på 7 mm. Förspänningshylsan hade en ytterdiameter på 20 mm och en väggtjocklek på 2 mm.

Styvheten för hylsan uppgick till approximativt 2.10 spänning på 1000 N utövades på stapeln av hylsan.

Till svar på en spänningsskillnad på 800 V över elektroderna alstrade denna anordning en längdvariation på 50 /um på väsentligen 100 /us.

Fördelarna med en anordning enligt uppfinningen kan summeras enligt följande: en hög verkningsgrad, fast solid spelfri konstruktion väsentligen utan fritt spel som ett resultat av förhållandevis stor mekanisk förspänning utan otillåtet motstånd från en ökande fjäderkraft under normal operation, 6 Nm'1 och en för- -fiv fw» .~f_-. 455 339 6 billig konstruktionsfonm som är resultatet av användning av enkla komponenter och särskilt av användningen av keramiska plattor som inte har behövt förbe- handlas (dvs inte har polariserats eller har belagts med ett metallager) och en låg elektrisk kapacitans, varigenom effektförbrukningen är låg för anordningen.

Det keramiska plattorna i anordningen enligt uppfinningen behöver inte polariseras i förväg; polarisering kan utföras i det hopsatta tillståndet genom att höja temperaturen för hela anordningen till det nödvändiga värdet och följt av anbringande av den nödvändiga spänningen på elektroderna.

Fig 4 visar hur stapeln med piezo-keramiska plattor 1 är omgiven av en cylindriska hylsa 16. Stapeln 1 är innesluten av en gängad ändplugg 17 och en ändplatta 18 som är försedd med ett element 19 som är styrt genom ändytan 20 på riyisan 16.

Mellan ändytan 20 och ändplattan 18 ligger en skivfjäder 21.

I detta utförande kan tryck anbringas på stapeln 1 genom att skruva änd- pluggen 17 in i den cylindriska hylsan.

Claims (4)

1 453 339 Patentkrav

1. Metod för framställning av en piezoelektrisk anordning i vilken ett fler- tal plana plattor av polariserbart piezo-keramiskt material staplas med en mellanliggande metallplatta mellan varje par av plattor, varefter stapeln vid båda ändar förses med en ändplatta, varvid de två ändplattorna förbinds meka- niskt medelst ett eller flera förspänningselement anordnade att pressa änd- plattorna mot varandra så att stapeln av plattor förspänns, och varvid metall- plattorna ansluts växelvis till den ena respektive den andra av två anslut- ningselektroder, k ä n n e t e c k n a d av att de keramiska plattorna staplas i ett opolariserat tillstånd och metallplattorna bringas i direkt kontakt med det keramiska materialet, varefter ett förspänningselement anbringas så att det utövar en jämförelsevis stor förspänning på stapeln och uppvisar en förhållan- devis flack fjäderkaraktäristik, varefter de keramiska plattorna polariseras genom att anbringa den nödvändiga spänningen på elektroderna, om nödvändigt i kombination med tillförande av värme till anordningen.

2. Piezoelektrisk anordning innefattande ett flertal staplade plana plattor av polariserbart piezo-keramiskt material som är anordnade mellan två änd- plattor vilka är mekansikt förbundna medelst en eller flera förspänningselement så att stapeln av plattor är utsatt för en förspänning, en tunn metallplatta som är anordnad mellan varje par av intilligande plattor, varvid metallplattor- na växelvis är anslutna till en tillhörande av två spänningsledare, k ä n n e- t e c k n a d av att varje metallplatta är i direkt kontakt med det keramiska materialet hos de tillhörande plana plattorna, varvid förspänningselementet utövar en förhållandevis stor förspänning och har en förhållandevis flack fjäderkaraktäristik.

3. Anordning enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d av att förspän- ningselementet utgörs av en cylindrisk hylsa som, i var och en av en första uppsättning av på avstånd belägna plan som sträcker sig vinkelrätt i förhållan- de till hylsans centrumaxel, är försedd med två utskurna områden som är belägna på var sin sida om bryggområden som ligger i ett första diametriskt axialplan och som även på lika sätt, i var och en av en andra uppsättning av på avstånd från varandra belägna plan som sträcker sig vinkelrätt i förhållande till cent- rumaxeln för hylsan och växelvis belägna mellan intilliggande plan som bildar 453 539 8 den första uppsättningen, är försedd med tvâ utskurna områden som är belägna på var sin sida om bryggområdena som ligger i ett andra diametriskt axialplan, varvid de två nämnda diametriska axialplanen lutar i förhållande till varandra.

4. Piezoelektrísk anordning enligt patentkravet 2, i vilken stapeln av piezo- elektriska plattor är anordnade i en cylindrisk hylsa, k ä n n e t e c k n a d av att förspänningselementet utgörs av en skivfjäder.