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WO2001099205A1 - Piezoelektrischer biegewandler - Google Patents

Piezoelektrischer biegewandler Download PDF

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Publication number
WO2001099205A1
WO2001099205A1 PCT/DE2001/002250 DE0102250W WO0199205A1 WO 2001099205 A1 WO2001099205 A1 WO 2001099205A1 DE 0102250 W DE0102250 W DE 0102250W WO 0199205 A1 WO0199205 A1 WO 0199205A1
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WO
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carrier
bending transducer
glass
piezoceramic
fibers
Prior art date
Application number
PCT/DE2001/002250
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English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Riedel
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Filing date
Publication date
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric 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
    • H10N30/2041—Beam type
    • H10N30/2042—Cantilevers, i.e. having one fixed end
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the invention relates to a piezoelectric bending transducer with a piezoceramic applied on at least one side to a carrier.
  • a piezoelectric bending transducer of the type mentioned at the outset primarily serves to exploit the indirect or reciprocal piezoelectric effect, i.e. for converting electrical into mechanical energy.
  • a bending transducer There are a large number of technical applications for a bending transducer. Such applications are e.g. as a piezoelectric printhead for an inkjet printer, as a sound pick-up or generator for microphones or loudspeakers, as a sensor for acceleration or pressure measurement, as a control element in Braille lines in reading devices for the blind, in textile machines, in pneumatic valves, in writing measuring devices or in contactless devices surface measuring instruments.
  • a bending transducer is built up in a layer structure.
  • the piezoceramic is applied to a carrier in order to improve the mechanical stability or for the purpose of better conversion of electrical into mechanical energy.
  • the piezoceramic is optionally provided on both sides with electrodes in the form of a flat covering made of a conductive material.
  • the support can be provided on one or two sides with the layer sequence described.
  • several layers of piezoceramics including the electrodes can also be stacked one above the other.
  • the object of the invention is to provide a piezoelectric bending transducer which has a good mechanical deflection capacity, ie a high deflection with a comparatively low operating voltage.
  • the carrier comprises a glass with a coefficient of thermal expansion of less than 2 ⁇ 10 6 / K and in that the coating made of the piezo ceramic is thermally bonded to the carrier.
  • the carrier can either consist of the glass itself or of a thermoset reinforced by fibers from the glass.
  • the wearer Since the thermal expansion coefficient of a thermoset reinforced with fibers is essentially dependent on the fibers used, the wearer has a smaller thermal expansion coefficient than the piezoceramic when using the above-mentioned glass Has thermal expansion coefficient between 4 and 6 x 10 ⁇ 6 / K. Due to the heat treatment during the thermal bonding of the coating made of the piezoceramic to the carrier, the piezoceramic remains to a certain extent pre-stressed after cooling. The distortion of the lattice structure of the piezoceramic caused by the bias acts to support polarization. The piezoceramic thermally bonded to the carrier, comprising the glass mentioned shows at the same operating voltage a higher length expansion or contraction than the piezoceramic not glued to such a carrier.
  • a glass with a coefficient of thermal expansion of less than 2 x 10 _6 / K is, for example, the glass sold under the trade name "S2-Glass” by Owens Corning Advanced Materials. "S2-Glass” is a registered trademark of Owens Corning. This S2 glass shows a coefficient of thermal expansion of 1.6 x 10 -6 / K.
  • any other glass, for example a quartz glass, with a coefficient of thermal expansion within the specified range is also suitable for use with the piezoelectric bending transducer.
  • the carrier advantageously comprises a thermoset reinforced by fibers from the glass.
  • a so-called prepreg (not yet hardened, soft, pre-impregnated blank and containing fibers) is used for the carrier.
  • the prepreg is laid loosely in a suitable shape together with the piezoceramic intended for the coating.
  • the prepreg wets the surfaces of the piezoceramics or the electrodes applied to them by lightly pressing and thereby glues to them. Through a final heat treatment, the prepreg finally cures irreversibly to the thermoset.
  • a permanent and stable connection of the components of the bending transducer is obtained in a simple manner.
  • thermoset is additionally reinforced with aramid fibers.
  • the mechanical properties of the piezoelectric bending transducer are further improved by introducing the aramid fibers.
  • Aramid shows a negative coefficient of thermal expansion of less than -0.5 x 10 ⁇ 6 / K. In this manner and way the bias of the piezoceramic is further increased after the manufacturing process.
  • Suitable aramids are, for example, the aramid sold by DuPont under the brand name Kevlar or the aramid available from Akzo Nobel under the brand name Twaron.
  • the fibers are arranged unidirectionally and extend parallel to a predetermined longitudinal direction of the carrier. This results in the thermal bonding of the
  • Prepregs with the coating made of piezoceramic direct the piezoceramic in the longitudinal direction.
  • the piezoceramic is therefore biased in the direction of its expansion or contraction when an electrical field is applied to the electrodes.
  • the unidirectional alignment also achieves the largest elastic modulus of the wearer in the longitudinal direction. Cross effects can essentially be neglected.
  • An epoxy resin is advantageously suitable as the material for the thermoset.
  • An epoxy resin reinforced with fibers in the form of a prepreg can be easily and inexpensively processed into the piezoelectric bending transducer.
  • the mass fraction of the epoxy resin in the carrier is between 25 and 45% by weight. This ensures that the hardness and flexibility are high enough.
  • 1 shows in three dimensions the structure of a piezoelectric bending transducer
  • 2 shows an enlarged view of a section through a piezoelectric bending transducer.
  • FIG. 1 shows a bimorph bending transducer 1 with a carrier 2 and with a first and second coating 4, 5 made of a piezoceramic applied thereon.
  • the piezoceramic is a lead zirconate titanium oxide ceramic.
  • the carrier 2 is an epoxy resin reinforced with glass fibers.
  • the glass of the fibers is an S2 glass from Owens Corning Advanced Materials and has a coefficient of thermal expansion of 1.6 x 10 ⁇ ⁇ / K.
  • fibers made of aramid are introduced, the weight ratio being between 40:60 and 60:40 in the fiber fraction.
  • An epoxy prepreg was used as the starting material for the carrier. The prepreg was thermally bonded and cured by means of heat treatment with the layers 4, 5 made of the piezoceramic.
  • the bending transducer 1 also has electrical connections 6, which are each electrically connected via a solder contact to electrodes 7 and 8 arranged on the carrier 2.
  • the layers 4, 5 made of the piezoceramic are provided on both sides with electrodes 9, 11 and 10, 12, respectively.
  • the electrodes 7 and 8 of the carrier 2, not shown here, are not flat at the locations of the carrier 2 at which the layers 4, 5 of the piezoceramic are placed, but rather as a fabric or in the form of parallel webs.
  • the not yet cured epoxy resin flows through the electrodes 7 and 8 onto the electrodes 11 and 12 and thus bonds the carrier 2 to the layers 4, 5 made of the piezoceramic via the electrodes during curing.
  • the electrodes 9, 10, 11 and 12 of the layers 4, 5 of the piezoceramic are each formed as a flat covering made of a carbon polymer. Due to the lower coefficient of thermal expansion of the carrier 2 compared to the thermal expansion coefficient of the piezoceramic, the latter is prestressed during thermal bonding.
  • FIG. 2 shows an enlarged representation of a section through the bending transducer 1 shown in FIG. 1.
  • the layers 4, 5 made of the piezoceramic and the electrodes 9, 11 and 10, 12 applied thereon can again be seen.
  • the electrodes 7, 8 applied to the carrier 2 are designed as parallel webs 13 extending in the longitudinal direction of the carrier 2.
  • the fibers 14 made of glass and the fibers 15 made of aramid are unidirectional and aligned in the longitudinal direction of the carrier 2. In this way, when the prepreg is thermally bonded to the layers 4, 5 of the piezoceramic, the piezoceramic is pretensioned in the longitudinal direction of the carrier 2.
  • the unidirectional orientation of the fibers 14, 15 also achieves the greatest modulus of elasticity of the carrier 2 in the longitudinal direction. Cross effects can be neglected.

Landscapes

  • Laminated Bodies (AREA)
  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Glass Compositions (AREA)

Abstract

Bei einem piezoelektrischen Biegewandler (1) mit einem Träger (2), umfassend ein Glas, und mit einer zumindest einseitig auf den Träger (2) thermisch aufgeklebten Beschichtung (4, 5) aus einer Piezokeramik wird erfindungsgemäss ein Glas mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 2 x 10-6/K verwendet. Vorzugsweise umfasst der Träger (2) einen Verbund aus Glasfasern (14) und Epoxidharz, welcher noch durch Aramidfasern (15) verstärkt werden kann. Ein solcher Biegewandler (1) zeigt ein hohes mechanisches Auslenkvermögen.

Description

Beschreibung
Piezoelektrischer Biegewandler
Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Biegewandler mit einer auf einem Träger zumindest einseitig aufgebrachten Piezokeramik.
Ein piezoelektrischer Biegewandler der eingangs genannten Art dient vorrangig zur Ausnutzung des indirekten oder reziproken piezoelektrischen Effekts, d.h. zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie. Für einen Biegewandler gibt es eine Vielzahl von technischen Anwendungen. Solche Anwendungen sind z.B. als piezoelektrischer Druckkopf für einen Tinten- strahldrucker, als Schallaufnehmer oder -erzeuger für Mikrophone bzw. Lautsprecher, als Sensor für die Beschleunigungsoder Druckmessung, als Stellelement in Braille-Zeilen in Lesegeräten für Blinde, in Textilmaschinen, in Pneumatikventilen, in schreibenden Messgeräten oder in berührungslosen OberflächenmessInstrumenten.
Gemäß der EP 0 455 342 Bl und der EP 0 468 796 AI wird ein Biegewandler in einer Schichtstruktur aufgebaut. Die Piezokeramik wird dabei zur Verbesserung der mechanischen Stabilität oder zum Zwecke einer besseren Umsetzung von elektrischer in mechanische Energie auf einen Träger aufgebracht. Für die elektrische Kontaktierung wird die Piezokeramik gegebenenfalls beidseitig mit Elektroden in Form einer flächigen Belegung aus einem leitfähigen Material versehen.
Je nach Anwendung kann der Träger ein- oder zweiseitig mit der beschriebenen Schichtabfolge versehen sein. Gemäß der DE 34 34 726 C2 können auch mehrere Lagen von Piezokeramiken einschließlich der Elektroden übereinander gestapelt sein. Je nach Anzahl der Piezokeramik-Schichten spricht man von einem mono-, bi-, tri-, etc. oder allgemein von einem multimorphen piezoelektrischen Biegewandler. Aufgabe der Erfindung ist es, einen piezoelektrischen Biegewandler anzugeben, welcher ein gutes mechanisches Auslenkvermögen, d.h. eine hohe Auslenkung bei vergleichsweise niedriger Betriebsspannung, zeigt.
Diese Aufgabe wird für den piezoelektrischen Biegewandler erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Träger ein Glas mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 2 x 10~6/K umfasst, und dass die Beschichtung aus der Piezo- keramik thermisch auf den Träger aufgeklebt ist.
Der Träger kann dabei entweder aus dem Glas selbst oder aus einem Duroplasten bestehen, welcher durch Fasern aus dem Glas verstärkt ist.
Umfangreiche Untersuchungen haben gezeigt, dass bei Verwendung eines derartigen Glases gegenüber einem normalen Glas, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von mehr als 5 x 10"6/K zeigt, der Biegewandler bei gleicher Betriebsspan- nung eine höhere Auslenkung zeigt. Es besteht Anlass zu der
Vermutung, dass das bessere Auslenkvermögen mit dem kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten zu tun hat.
Da bei einem mit Fasern verstärkten Duroplasten der Wärmeaus- dehnungskoeffizient im Wesentlichen von den verwendeten Fasern abhängig ist, weist der Träger bei Verwendung des genannten Glases einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als die Piezokeramik, deren Wärmeausdehnungskoeffizient senkrecht zur Polarisationsrichtung im kurzgeschlossenen Zu- stand in der Regel einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen 4 und 6 x 10~6/K besitzt. Durch die Wärmebehandlung bei dem thermischen Verkleben der Beschichtung aus der Piezokeramik mit dem Träger bleibt damit die Piezokeramik nach dem Abkühlen gewissermaßen vorgespannt. Die durch die Vorspannung bewirkte Verzerrung der Gitterstruktur der Piezokeramik, wirkt polarisationsunterstützend. Die mit dem Träger, umfassend das genannte Glas, thermisch verklebte Piezokeramik zeigt bei gleicher Betriebsspannung eine höhere Längenausdehnung bzw. -kontraktion als die nicht mit einem solchen Träger verklebte Piezokeramik.
Ein Glas mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 2 x 10_6/K ist beispielsweise das unter dem Handelsnamen "S2-Glass" vertriebene Glas von Owens Corning Advanced Materials. "S2-Glass" ist ein eingetragenes Warenzeichen von Owens Corning. Dieses S2-Glass zeigt einen Wärmeausdehnungs- koeffizienten von 1,6 x 10-6/K. Selbstverständlich eignet sich auch jedes andere Glas, beispielsweise ein Quarzglas, mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten innerhalb des angegebenen Bereiches zur Verwendung für den piezoelektrischen Biegewandler.
Vorteilhafterweise umfasst der Träger einen durch Fasern aus dem Glas verstärkten Duroplasten. Dies bietet den Vorteil einer einfachen und kostengünstigen Herstellung. Für den Träger wird hierzu ein sogenanntes Prepreg (noch nicht ausgehärte- ter, weicher, vorimprägnierter und Fasern enthaltender Rohling) verwendet. Das Prepreg wird zusammen mit der für die Beschichtung vorgesehenen Piezokeramik locker in eine geeignete Form gelegt. Durch leichtes Pressen benetzt das Prepreg die Oberflächen der Piezokeramiken bzw. der darauf aufge- brachten Elektroden und verklebt dabei damit. Durch eine abschließende Wärmebehandlung härtet schließlich das Prepreg irreversibel zu dem Duroplasten aus. Man erhält auf einfache Art und Weise eine dauerhafte und stabile Verbindung der Komponenten des Biegewandlers.
Weiter von Vorteil ist es, wenn der Duroplast zusätzlich mit Fasern aus Aramid verstärkt ist. Neben der Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Trägers durch Aramid werden durch die Einbringung der Fasern aus Aramid die mechanischen Eigen- schaffen des piezoelektrischen Biegewandlers weiter verbessert. Aramid zeigt nämlich einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als -0,5 x 10~6/K. Auf diese Art und Weise wird die Vorspannung der Piezokeramik nach dem Herstellungsverfahren weiter erhöht. Geeignete Aramide sind beispielsweise das von DuPont unter dem Markennamen Kevlar vertriebene Aramid oder das von Akzo Nobel unter dem Markennamen Twaron erhältliche Aramid.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Fasern unidirektional angeordnet und erstrecken sich parallel zu einer vorgegebenen Längsrichtung des Trägers. Auf diese Weise ergibt sich beim thermischen Verkleben des
Prepregs mit der Beschichtung aus Piezokeramik eine gerichtet Vorspannung der Piezokeramik in Längsrichtung. Die Piezokeramik ist also in Richtung ihrer Ausdehnung oder Kontraktion bei Anlegen eines elektrischen Feldes an die Elektroden vor- gespannt. Durch die unidirektionale Ausrichtung wird zudem das größte Elastizitätsmodul des Trägers in Längsrichtung erzielt. Quereffekte können im Wesentlichen vernachlässigt werden.
Als Material für den Duroplasten eignet sich vorteilhafterweise ein Epoxidharz. Ein mit Fasern verstärktes Epoxidharz in Gestalt eines Prepregs lässt sich leicht und kostengünstig zu dem piezoelektrischen Biegewandler verarbeiten.
Dabei ist es für die Eigenschaften des Trägers besonders von Vorteil, wenn der Masseanteil des Epoxidharzes im Träger zwischen 25 und 45 Gew.-% beträgt. Damit werden gleichzeitig eine genügend große Härte und eine genügend hohe Flexibilität erzielt .
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
FIG 1 in dreidimensionaler Darstellung den Aufbau eines piezoelektrischen Biegewandlers, und FIG 2 in vergrößerter Darstellung einen Schnitt durch einen piezoelektrischen Biegewandler.
Gleiche Teile haben dabei gleiche Bezugszeichen.
Figur 1 zeigt einen bimorphen Biegewandler 1 mit einem Träger 2 und mit einer darauf aufgebrachten ersten und zweiten Beschichtung 4, 5 aus einer Piezokeramik. Die Piezokeramik ist hierbei eine Blei-Zirkonat-Titan-Oxidkeramik. Der Träger 2 ist ein mit Fasern aus Glas verstärktes Epoxidharz. Das Glas der Fasern ist ein S2-Glass von Owens Corning Advanced Materials und weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 1,6 x 10~δ/K auf. Zusätzlich sind Fasern aus Aramid eingebracht, wobei das Gewichtsverhältnis zwischen 40:60 und 60:40 im Fa- seranteil beträgt. Als Ausgangsmaterial für den Träger wurde ein Epoxidharz-Prepreg verwendet. Das Prepreg wurde durch eine Wärmebehandlung mit den Schichten 4, 5 aus der Piezokeramik thermisch verklebt und ausgehärtet.
Der Biegewandler 1 weist weiter elektrische Anschlüsse 6 auf, welche jeweils über einen Lötkontakt mit auf dem Träger 2 angeordneten Elektroden 7 und 8 elektrisch verbunden sind. Die Schichten 4, 5 aus der Piezokeramik sind beidseitig flächig mit Elektroden 9, 11 bzw. 10, 12 versehen. Die Elektroden 7 und 8 des Trägers 2 sind, hier nicht näher dargestellt, an den Stellen des Trägers 2, an welchen die Schichten 4, 5 der Piezokeramik aufgelegt sind, nicht flächig, sondern als ein Gewebe oder in Form von parallelen Stegen ausgebildet. Bei der Wärmebehandlung des Prepregs fließt deshalb das noch nicht ausgehärtete Epoxidharz durch die Elektroden 7 und 8 auf die Elektroden 11 und 12 und verklebt damit beim Aushärten den Träger 2 über die Elektroden mit den Schichten 4, 5 aus der Piezokeramik. Die Elektroden 9, 10, 11 und 12 der Schichten 4, 5 der Piezokeramik sind jeweils als eine flä- chige Belegung aus einem Carbonpolymer ausgebildet. Aufgrund des geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten des Trägers 2 gegenüber dem Wärmeausdehnungskoeffizienten der Piezokeramik wird letztere beim thermischen Verkleben vorgespannt.
In Figur 2 ist in einer vergrößerten Darstellung ein Schnitt durch den in Figur 1 gezeigten Biegewandler 1 dargestellt. Man erkennt wiederum die Schichten 4, 5 aus der Piezokeramik sowie die darauf aufgebrachten Elektroden 9, 11 bzw. 10, 12. Die auf dem Träger 2 aufgebrachten Elektroden 7, 8 sind als sich in Längsrichtung des Trägers 2 erstreckende parallele Stege 13 ausgebildet. Deutlich zu erkennen ist, dass die Fasern 14 aus Glas und die Fasern 15 aus Aramid unidirektional und in Längsrichtung des Trägers 2 ausgerichtet vorliegen. Auf diese Weise ergibt sich beim thermischen Verkleben des Prepregs mit den Schichten 4, 5 aus der Piezokeramik eine Vorspannung der Piezokeramik in Längsrichtung des Trägers 2. Durch die unidirektionale Ausrichtung der Fasern 14, 15 wird zudem das größte Elastizitätsmodul des Trägers 2 in Längsrichtung erzielt. Quereffekte können vernachlässigt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Piezoelektrischer Biegewandler (1) mit einem Träger (2), umfassend ein Glas, und mit einer zumindest einseitig auf dem Träger (2) thermisch aufgeklebten Beschichtung (4,5) aus einer Piezokeramik, wobei das Glas einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 2 x 10~6/K zeigt.
2. Piezoelektrischer Biegewandler (1) nach Anspruch 1, wobei der Träger (2) einen durch Fasern (14) aus dem Glas verstärkten Duroplasten umfasst.
3. Piezoelektrischer Biegewandler (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Duroplast zusätzlich mit Fasern (15) aus Aramid verstärkt ist.
4. Piezoelektrischer Biegewandler (1) nach Anspruch 2 oder 3, bei dem sich der Träger (2) in eine Längsrichtung erstreckt und die Fasern (14, 15) unidirektional und parallel zu der Längsrichtung angeordnet sind.
5. Piezoelektrischer Biegewandler (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Duroplast ein Epoxidharz ist.
6. Piezoelektrischer Biegewandler (1) nach Anspruch 8, mit einem Anteil des Epoxidharzes im Träger (2) zwischen 25 und 45 Gew.-%.
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