DE3126340A1

DE3126340A1 - Elektromechanischer wandler

Info

Publication number: DE3126340A1
Application number: DE3126340A
Authority: DE
Inventors: Adolf 8520 Erlangen Albrecht; Herbert Dipl.-Phys. Dr. 8501 Gsteinach Schewe; Otto 8520 Erlangen Schmidt
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 1981-07-03
Filing date: 1981-07-03
Publication date: 1983-01-20

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 81 P 7 5 h 1 OE

ElektroiaachanischarJWffldler

Dies- Erfindung bezieht sich auf einen elektromechanischen Wandler mit @ln@m flachen piezotronischen Grundkörper, bei dem an wenigstens einer Flachseite ein Elastomer anliegt.

Piezoelektrische Elemente werden bekanntlich auf verschiedenen technischen Gebieten, beispielsweise in hochfrequenztechnischen und elektroakustisehen Einrichtungen, verwendet. Die Piezoelektrizität beruht auf einer elektrostatischen Aufladung, die sich beim Zusammendrücken von Einkristallen mit polaren Achsen in Richtung dieser Achsen ergibt. Sie ist Ausdruck einer Polarisation des Kristalls unter Druckeinwirkung.

Diesen piezoelektrischen Effekt zeigen beispielsweise Quarz, Barium-Zirkonat-Titanat PZT und gewisse Polymere, wie beispielsweise Polyvinylidenfluorid PVFD sowie Ferroelektrika und Pyroelektrika. Der vorzugsweise flache piezoelektrische Grundkörper ist im allgemeinen in Richtung seiner Dicke polarisiert. Die gegenüberliegenden Flachseiten sind jeweils mit einer Elektrode elektrisch leitend verbunden, Dieser Effekt ist umkehrbar. Man kann somit sowohl durch Druckeinwirkung elektrischer Signale als auch durch Anlegen einer Wechselspannung mechanische Schwingungen erzeugen.

Kin 2 Koe / 29.6.1981

Eine bekannte Ausführungsform eines als Taster dienenden elektromechanischen Wandlers enthält als piezotronischen Grundkörper eine Folie aus Polyvinylidenfluorid, die an ihren Plachseiten in dem Oberflächenbereich, der für eine Druckbelastung vorgesehen ist, mit Elektroden versehen ist. In Richtung der Flachseiten einander gegenüberliegenden Enden des Grundkörpers sind mechanisch eingespannt. Die Druckbelastung erfolgt mit Hilfe eines Stempels mittelbar über einen Gummikörper. Auf der gegenüberliegenden Flachseite ist in einem vorbestimmten Abstand ebenfalls ein Gummikörper angeordnet. Da die Enden der Folie eingespannt sind, erfolgt die Signalbildung bei mechanischer Belastung infolge der Durchbiegung des Films in Richtung der mechanischen Belastung. Diese Überdehnung führt aber bei wechselnder Belastung zu Ermüdungserscheinungen, die eine entsprechende Signalverschiebung zur Folge haben (US-Patent 3 940 637).

Es kann auch eine Matrix aus Piezoelementen gebildet werden, deren Grundkörper an ihren Stirnflächen jeweils durch eine gemeinsame piezoelektrische Folie abgedeckt sind. Die Signalbildung erfolgt durch Verformung der Folien infolge der mechanischen Belastung. Durch eine besondere Ausbildung der Elektroden sind die Elemente in Zeilen und Spalten geordnet (US-Patent 4 071 785).

Eine weitere bekannte Ausführungsform eines elektromechanischen Wandlers enthält einen flachen und in Richtung seiner Flachseiten frei beweglichen piezotronischen Grundkörper, der zwischen zwei Elastomeren angeordnet ist. In einer derartigen Anordnung erfolgt bei Druckbelastung eine Signalbildung durch Dehnung des Grundkörpers in Richtung seiner Flachseiten ("Ultrasonics", Jan. 1966, Seiten 15 bis 23, Fig. 15).

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-ί- VPA 81 P7 5MOE

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Anordnung mit einer mittelbaren Kraftzuführung über ein Elastomer zu verbessern, insbesondere soll die Dehnung des Grundkörpers durch Bildung von Kraftkomponenten in Richtung seiner Flachseiten erhöht und damit das elektrische Signal entsprechend verstärkt werden.

Die Erfindung besteht deshalb bei einem elektromechanisehen Wandler der eingangs genannten Art darin, daß die ~ dem Grundkörper zugewandte Oberfläche des Elastomers mit einer Ausnehmung versehen ist. Die Druckbelastung erfolgt mittelbar über das Elastomer. Das Elastomer ist ©in Stoff, der durch Einwirkung einer geringfügigen Kraft bei Raumtemperatur und höheren Temperaturen sich um mindestens das Doppelte seiner Ausgangslänge dehnen kann. Nach Aufhebung der Belastung kehrt der Stoff schnell und praktisch vollständig in die ursprüngliche Form zurück. Solehe Stoffe sind bekannt unter der Bezeichnung Weichgummi. Durch die mittelbare Krafteinwirkung über das Elastomer entstehen Kraftkomponenten in Richtung der Flachseiten des Grundkörpers, die den Grundkörper zwar in Richtung seiner Flachseiten aus-/"-* dehnen, jedoch nicht wesentlich biegen können.

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Die Ausnehmung kann derart gestaltet sein, daß eine ringförmige Auflagefläche gebildet wird. Es können aber auch getrennte Auflageflächen gebildet werden, die in der Streckungsrichtung des Grundkörpers hintereinander angeordnet sind. Die Auflagefläche der starren Unterlage hat vorzugsweise sowohl einen niedrigen Haftreibungskoeffizienten als auch einen niedrigen Gleitreibungskoeffizienten.

Weitere besonders vorteilhafte Ausführungsformen des elektromechanischen Wandlers sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Figuren 1 bis 3 ein Ausführungsbeispiel eines elektromechanischen Wandlers nach der Erfindung schematisch veranschaulicht ist. Die Figuren 4 und 5 zeigen jeweils verschiedene Ausführungsformen des Aufbaus eines Wandlers nach der Erfindung. In den Figuren 5 bis 8 sind verschiedene Ausführungsformen von Wandlern mit einer größeren Anzahl von Wandlerelementen dargestellt, die Jeweils eine Matrix bilden.

In der Ausführungsform nach Figur 1 enthält ein elektromechanischer Wandler einen Grundkörper 2, der vorzugsweise aus piezoelektrischem Material, beispielsweise Blei-Zirkonat-Titanat PZT, oder auch aus einem piezoelektrischen Kunststoff hoher mechanischer Festigkeit, beispielsweise Polyvinylidenfluorid PVDF, bestehen kann. Der flache Grundkörper 2 ist an seinen Flachseiten jeweils mit einer Metallisierung versehen, die als Elektroden 4 und 6 dienen und die jeweils mit einem elektrischen Anschluß 8 bzw. 9 verbunden sind. An der Oberseite des Grundkörpers 2 ist ein Elastomer 10 derart angeordnet, daß eine Kraft P, die in der Figur durch einen Pfeil angedeutet ist, über das Elastomer auf den Grundkörper 2 einwirkt. Der piezoelektrische Effekt des Wandlers wird wesentlich bestimmt vom Elastizitätsmodul sowie der Querkontraktion und der Dicke des Elastomers 10 sowie des Grundkörpers 2. Die Dicke D des Elastomers 10 kann deshalb vorzugsweise wesentlich größer gewählt werden als die Höhe H des Grundkörpers 2. Der Grundkörper 2 liegt mit seiner

-J- VPA 81 Ρ75Φ10Ε

Elektrode 6 formschlüssig auf der Oberfläche einer starren Unterlage 12 auf, die vorzugsweise aus einem Material besteht, dessen glatte Oberfläche nur geringe ruhende und gleitende Reibung hat, insbesondere PoIytetrafluoräthylen (Teflon).

Wird ein elektrisch leitfähiges Elastomer 10 verwendet, so kann der elektrische Anschluß 8 auch an der Oberfläche des Elastomers 10 angebracht werden. In gleicher Weise kann die untere Elektrode 6 entfallen, wenn die starre Unterlage 12 aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht oder wenigstens mit einer elektrisch leitfähigen Oberflächenschicht versehen ist.

Zur Übertragung der Kraft P ist ein Elastomer 10 vorgesehen, dessen dem Grundkörper 2 zugewandte Oberfläche mit einer Ausnehmung 16 versehen ist, die beispielsweise als Kegel oder als Kugelkalotte gestaltet sein kann, so daß nach Figur 2 eine kreisringförmige Auflagefläche 18 auf der Elektrode 4 des Grundkörpers 2 entsteht.

Der durch die Ausnehmung 16 gebildete Hohlraum kann zweckmäßig mit einer Luftaustrittsöffnung 7 versehen werden. Durch diese Ausnehmung entstehen an der Auflagefläche 18 bei Belastung Kräfte, deren Komponenten in Richtung der Flachseiten des Grundkörpers 2 wesentlich erhöht sind. Es wird somit die Belastung P im wesentlichen in Dehnungskräfte für den Grundkörper 2 umgesetzt.

Wird beispielsweise als Grundkörper 2 eine in Richtung ihrer Flachseiten uniaxial gereckte Folie aus Polyvinylidenfluorid PVDF mit einer Dicke von beispielsweise 25 /um und einer piezoelektrischen Ladungskonstante djj - -18 pC/N gewählt, so erhält man mit einem

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-%- VPA 81 P 7 5 M DE

Polymer 10 aus Silikongummi mit einer Dicke von beispielsweise 2000 /um eine effektiv wirksame piezoelektrische Ladungskonstante von -500 pC/N. Durch die Anordnung des Elastomers an einem einzigen Oberflächenteil des Grundkörpers 2 ist somit die Ladungskonstante um wesentlich mehr als eine Größenordnung erhöht worden.

Nach Figur 3 kann ein langgestreckter Grundkörper 2 vorgesehen sein, für den ein ebenfalls in der gleichen Richtung langgestrecktes Elastomer 10 vorgesehen ist, das dann derart mit einer dachförmigen Ausnehmung versehen ist, daß die zwei getrennten Auflageflächen 19 und 20 entstehen, über die bei Belastung Kräfte P^ und P₂ übertragen werden, die im wesentlichen als Dehnungskräfte in der Streckungsrichtung der Folie des Grundkörpers wirken, was für uniaxial gereckte Folien vorteilhaft ist.

In einer besonders einfachen Ausführungsform eines einzelnen Tasters, nach Figur 4, der nur mit einem geringen Hub arbeitet, ist das aus elektrisch leitfähigem Material bestehende Elastomer 10 als Deckel eines Gehäuses 12 gestaltet, das beispielsweise aus elektrisch nicht leitfähigem Material bestehen kann.

Das Gehäuse 12 enthält ein weiteres Elastomer 11, das ebenfalls aus elektrisch leitfähigem Material besteht. Die Elastomere 10 und 11, zwischen denen der Grundkörper 2 eingelagert ist, dienen zugleich als Elektrode für den an seinen Flachseiten jeweils mit einer Metallisierung versehenen Grundkörper 2. Sie sind lediglich jeweils über einen Druckkontakt mit einem elektrischen Anschlußleiter 14 bzw. 15 verbunden, die jeweils mit einer nicht näher bezeichneten Anschlußklemme versehen sind. Diese Anschlußleiter 14 und 15 können in einfacher Weise als Nagel gestaltet sein, der

' -V- VPA 81 P754 1DE

in eine entsprechende Ausnehmung eingelegt wird und dessen Kopf den elektrischen Kontakt mit dem entsprechenden Elastomer bzw. einer der Elektroden des Grundkörpers 2 herstellt. Der innere Rand des Deckels ist mit Portsätzen versehen, die nach Art eines Schnappverschlusses in eine entsprechende Ausnehmung an der äußeren Mantelfläche des Gehäuses 12 eingreifen. Dieser Taster besteht somit lediglich aus dem Gehäuse 12 mit seinen beiden eingesetzten Anschlußleitern 14 und 15» in welches das Elastomer 11 und der Grundkörper 2 in Stapeltechnik eingesetzt werden und das mit dem Deckel 10 verschlossen wird, der zugleich zur Übertragung der Kraft P auf den Grundkörper 2 dient.

In der Ausführungsform eines einzelnen Tastenelementes nach Figur 5 ist ein Elastomer 21, das vorzugsweise an seinen beiden Stirnflächen mit einer Ausnehmung versehen ist und das aus einem elektrisch leitfähigen Material besteht, zwischen zwei flachen Grundkörpern und 23 angeordnet, die auf ihrer vom Elastomer 21 abgewandten Flachseite jeweils mit einer Elektrode 24 bzw. 25 versehen sind. Diese Elektroden können auch aus leitfähigem Polytetrafluoräthylen bestehen. Die Baueinheit ist in einem Gehäuse 28 angeordnet, dessen Deckel 30 in Richtung der Tiefe des Gehäuses 28 beweglich gelagert ist und zugleich als Druckplatte für das Wandlerelement dient. Es überträgt den Druck P auf das Elastomer 21.. Die Elektroden 24 und 25 sind jeweils mit einem elektrischen Anschlußleiter 29 bzw. 31 versehen, die elektrisch isoliert aus dem Gehäuse 28 herausgeführt sind. Zur elektrischen Isolation zwischen dem Anschlußleiter 29 und dem elektrisch leitenden Elastomer 21 kann noch eine Zx^ischenlage 27 aus elektrisch isolierendem Material vorgesehen sein. Da die beiden piezotronischen Grundkörper 22 und 23 durch das elek-

-&- VPA 81 P7 5 41 DE

trisch leitende Elastomer 21 verbunden sind, erhält man eine entsprechende Vergrößerung des Ausgangssignals an den Anschlußleitern 29 und 31.

In der Ausführungsform nach Figur 6 und Figur 7 bildet eine Vielzahl von Elastomeren 32, die Jeweils in einer Bohrung einer Abdeckplatte 33 angeordnet sind, zusammen mit einem zugehörigen Teil des Grundkörpers 2 Jeweils ein Wandlerelement. Diese Wandlerelemente sind in Zeilen nebeneinander und Spalten hintereinander als Matrix geordnet. Der Grundkörper 2 liegt formschlüssig und vorzugsweise gleitend auf der glatten Oberfläche der Unterlage 12 auf. Wird eines der Wandlerelemente 32 mechanisch belastet, so wird im Grundkörper 2 ein elektrisches Signal erzeugt, das an einer in der Figur nicht dargestellten Elektrode abgenommen werden kann.

In der Ausführungsform nach Figur 8 wird aus einer größeren Anzahl von nicht elektrisch leitenden Elastomeren 32 ebenfalls eine Matrix gebildet. Oberhalb und unterhalb der Elastomeren 32 ist Jeweils ein Grundkörper 2 bzw, 3 angeordnet. Der untere Grundkörper 2 ist mit elektrisch leitenden Oberflächenschichten 34 bzw. versehen, die als Elektroden dienen. In gleicher Weise ist der obere Grundkörper 3 mit elektrisch leitenden Oberflächenschichten 36 bzw. 37 versehen. Die äußeren Oberflächenschichten 35 und 36 sind in einer besonderen Ausführungsform vorzugsweise mit einer Masseleitung verbunden. Sie dienen in dieser Form als Abschirmelektroden und vermindern die Gefahr elektrischer Einstreuungen. Zur Druckübertragung sind Taster 38 vorgesehen, deren untere Stirnflächen eine glatte Auflagefläche bilden und zu diesem Zweck mit einer besonderen Auflage 39 versehen sein können. Die Taster 38 werden in einem in der

-^- VPA-Mi P754 VPE

Figur nicht näher bezeichneten Rahmen gehalten.

Die als Elektroden dienenden Oberflächenschichten 34 und 37 sind nach Figur 9 Jeweils als Streifenelektroden ausgebildet, von denen die einen, beispielsweise die Elektroden 3A-, als Zeilen und die Elektroden 37 als Spalten geordnet sind. In dieser Form kann jeweils ein an den Kreuzungspunkten der Matrix entstehendes Signal ausgelesen werden.

In der Ausführungsform nach Figur 10 sind ebenfalls zwei Grundkörper 2 und 3 in der Form einer Folie mit ihren Flächenelektroden 34 und 35 bzw. 36 und 37 vorgesehen. Außer den zwischen diesen Grundkörpern 2 und 3

1^C; angeordneten elektrisch nichtleitenden Elastomeren 42 sind oberhalb des Grundkörpers 3 weitere Elastomere 43 und unterhalb des Grundkörpers 2 nochmals Elastomere 44 vorgesehen, die mit ihren unteren Stirnflächen auf der glatten Oberfläche der Unterlage 12 ruhen. Die Elastomere 43 können durch Taster 38 mit vorzugsweise glatter Unterseite beaufschlagt werden. Die untere Elektrode 35 des Grundkörpers 2 und die obere Elektrode 36 des Grundkörpers 3 können auch in dieser Ausführungsform vorzugsweise auf gemeinsamem Potential, insbesondere NuIlpotential, liegen. An den beiden anderen Elektroden 34 und 37 können die Ausgangssignale der Anordnung ausgelesen werden. Die auf Nullpotential liegenden Flächenelektroden 35 und 36 bilden eine Abschirmung für die aus den Elastomeren 42 mit den zugehörigen Teilen der Grundkörper 2 und 3 gebildeten Wandlerelemente.

Durch die Auswahl der geometrischen Abmessungen der piezotronischen Grundkörper 2 und 3 sowie 22 und 23 und der vorzugsweise elektrisch leitfähigen Elastomere 10 bzw. 11 sowie 21 und durch geeignete

-y>- VPA 81 P75 4 1DE

Wahl der Härte des Elastomers erhält man eine Optimierung der gewünschten Eigenschaften des elektromechanischen Wandlers. Zur Herstellung einer Tastatur können die Wandler elemente der Figuren 4 und 3> mit den vorzugsweise als Anschlußstifte ausgebildeten Anschlußleitern 13 und 14 direkt auf eine Leiterplatte aufgesteckt und angelötet werden.

11 Patentansprüche
10 Figuren

1%

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Elektromechanischer Wandler mit einem flachen piezotronisehen Grundkörper, bei dem an wenigstens einer Flachseite ein Elastomer anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Grundkörper (2) zugewandte Oberfläche des Elastomers (10) mit einer Ausnehmung (16) versehen ist (Figuren 1 bis 3).

2„ Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch leitfähiges Elastomer (10) vorgesehen ist, das als Deckel eines Gehäuses gestaltet ist, und daß der Grundkörper (2) über eine elektrisch leitfähige Zwischenschicht auf dem Boden eines Gehäuses (12) angeordnet ist, und daß der Grundkörper (2) mit elektrischen Anschlußleitern (14, 15) versehen ist, die als Druckkontakte wirken.

3- Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Zwischenschicht ein Elastomer (11) vorgesehen ist.

4. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (11) mit einer Ausnehmung versehen ist (Figur 4).

5- Elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine Stapeltechnik der Bauteile.

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-4f - VPA 8t P 7 5 41 OE

6. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elastomer (21) zwischen zwei Grundkörpern (22, 23) angeordnet ist (Figur 5).

7. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Matrix aus Elastomeren (32)(Figuren 6 bis 9).

8. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomere (32, 42) zwischen zwei als Folie gestalteten Grundkörpern (2, 3) angeordnet sind (Figuren 8 und 10).

9. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomere (32) auf einer ihrer Stirnseiten durch streifenförmige Elektroden (34 bzw. 37) auf den einander gegenüberliegenden Stirnseiten in Zeilen und Spalten geordnet sind (Figuren 8 und 9).

10. Elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß auf den den Elastomeren (42) gegenüberliegenden Flachseiten der Grundkörper (2 und 3) nochmals jeweils ein Elastomer (43 bzw. 44) vorgesehen ist (Figur 10).

11. Elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß jeweils die Elektroden (35 und 36), die an den von den mittleren Elastomeren (32, 42) abgewandten Flachseiten der Grundkörper (2, 3) angeordnet sind, auf Nullpotential liegen (Figuren 8 und 10).