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Biegungsschwinger aus plättchenförmigem, elektrostriktivem
Material
Die Erfindung betrifft einen Biegungsschwinger aus plättchenformigem, elektrostriktivem Material, dessen Oberfläche durchstreifenförmiges, elektrisch leitendes Material (Leiterstreifen) in mehrere, senkrecht zur Biegeachse angeordnete Zonen unterteilt ist, bei dem jeweils zwei aufeinanderfolgende Zonen des elektrostriktiven Materials, vorzugsweise in den äusseren Schichten des Plättchens, entgegengesetzt polarisiert sind und von den Leiterstreifen jeweils die geradzahligen und ungeradzahligen durch je eine Verbindungsleitung zusammengefasst sind und je einen Pol des Schwingers bilden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist, die Empfindlichkeit derartiger Biegungsschwinger zu erhö- hen.
Die erfinderische Lösung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstreifen im elektrostriktiven Material vertieft angeordnet sind.
Bei den bekannten Biegungsschwingern der einleitend genannten Art verlaufen die Feldlinien zwischen benachbarten Leiterstreifen im wesentlichen in der Nähe der neutralen Achse des Schwingers. Dies ist dadurch bedingt, dass die Leiterstreifen auf der Oberfläche des elektrostriktiven Materials aufgebracht sind und die Feldlinien an diesen Leiterstreifen senkrecht endigen müssen. Infolge dieses Feldlinienverlaufes wird die dem Biegungsschwinger zugeführte elektrische Energie nur schlecht ausgenutzt, da die mechanischenKräfte dann in derNähe der neutralen Achse wirksam sind. Es entstehen also wegen des kleinen Hebelarmes nur kleine mechanische Momente. Durch eine vertiefte Anordnung der Leiterstreifen im elektrostriktiven Material ist es dagegen möglich, auch die äussersten Schichten, u. zw. bevorzugt, am Biegeprozess zu beteiligen.
Die Feldlinien verlaufen dann nämlich im wesentlichen dicht unter der Oberfläche zwischen den Kanten benachbarter Leiterstreifen, da dies der kürzeste Weg ist. Die längs dieser Feldlinien wirkenden mechanischen Kräfte haben aber den grössten Abstand zur neutralen Achse und liefern somit auch ein wesentlich grösseres Biegemoment als die mechanischen Kräfte von Feldlinien, die im Inneren des Materials verlaufen. Biegungsschwinger der erfindungsgemässen Art sind somit bei gleichen andern Verhältnissen wesentlich empfindlicher als die bekannten Biegungsschwinger, bei denen die Leiterstreifenauf der Oberfläche angeordnet sind.
Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise eines Biegungsschwingers der einleitend beschriebenen Art wird zunächst dessen Herstellung an Hand eines Beispiels erläutert.
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auch wesentlich dünner ausgeführt ist, elektrisch leitendes Material streifenförmig aufgetragen. Als Leitmaterial kann beispielsweise Silber verwendet werden, das auf irgendeine bekannte Weise aufgetragen wird. Die Leiterstreifen unterteilen das elektrostriktive Material in einzelne Zonen und werden so miteinander verbunden, dass jeweils die geradzahligen und ungeradzahligen Leiterstreifen zusammengefasst sind und je einen Pol des Schwingers bilden. Der Abstand der Leiterstreifen soll kleiner sein als die Dicke des Biegungsschwingers. Nun wird an die beiden Pole des Schwingers eine Gleichspannung angelegt, die, bezogen auf den Abstand der Leiterstreifen, etwa 600 V/mm beträgt.
Diese Spannung ruft in den Zonen zwischen den Leiterstreifen ein elektrisches Feld hervor, durch das das elektrostriktive Material polarisiert wird. Die Polarisation von elektrostriktivem Material hat unabhängig vom Vorzeichen der Polarisationsspannung eine Formänderung, z. B. eine Verlängerung des Materials in Polarisationsrichtung zur Folge.
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Das bedeutet, dass in diesem Fall die äusseren Schichten des Plättchens gedehnt werden und das Plättchen dadurch verspannt wird. In diesem Zustand wird der Biegungsschwinger erwärmt, u. zw. so weit, bis die Curie-Temperatur des elektrostriktiven Materials überschritten ist (bei Bariumtitanat etwa 1400 C) und dann wieder abgekühlt. Auf diese Weise bleibt auch nach dem Abtrennen der, Gleichspannungsquelle die durch diese verursachte Polarisation im elektrostriktiven Material und damit die Verspannung des Plättchens erhalten. Die Polarisation ist bei benachbarten Zonen des elektrostriktiven Materials entgegenge- setzt gerichtet.
Wird nun an die Pole eines derart präparierten Biegungsschwingers eine Steuerspannung angelegt, die wesentlich kleiner ist als die vorher zur Erzeugung der Polarisation verwendete Gleichspannung, dann wird in benachbarten Zonen des elektrostriktiven Materials je nach Polarität der Steuerspannung die Polarisationsspannung entweder geschwächt oder verstärkt. Der Biegungsschwinger verändert dadurch in benachbarten Zonen seine Krümmung im gleichen Sinn, so dass das ganze Plättchen im selben Krümmungssinn entweder mehr oder weniger gebogen wird.
Der Querschnitt des Plättchens kann je nach Anwendungsgebiet verschiedene Formen haben. Er kann z. B. rechteckig oder rund sein, wobei sich die Leiterstreifen dieser Form insoweit anpassen müssen, als sie jeweils senkrecht zur gewünschten Biegeachse verlaufen müssen. Die erste Ausführungsart wird beispielsweise verwendet als Filterelement oder als frequenzbestimmendes Element im Rückkopplungsnetzwerk eines Schwingungserzeugers, wenn es auf ein Schwingkreiselement hoher Güte ankommt. Die zweite Art der Ausführung eignet sich z. B. als Membran für einen elektroakustischen Wandler. Für diesen ist zur Erzielung eines möglichst grossen elektroakustischen Wirkungsgrades oft eine Anpassung an das umgebende Schallmedium erwünscht.
Eine Anpassung wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die Scheibe sehr dünn ausgeführt ist, oder dass ein mechanisches Übertragungsglied vorgesehen ist, mit dem die Bewegung des Biegungsschwingers auf eine zusätzliche Membran übertragen wird. Ausserdem wäre es zu diesem Zweck
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verschiedenen Krümmungssinnes auftreten.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Die Fig. 1-4 sowie 6 und 7 stellen hiebei zum Teil bekannte Anordnungen dar, bei denen die erfinderische Lösung vorteilhaft anwendbar ist, in Fig. 5 ist die erfinderische Lösung selbst bei einer weiteren Ausführungsform dargestellt.
Fig. 1 stellt im Querschnitt ein Plättchen 1 aus elektrostriktivem Material dar. Dieses ist etwa 1 mm dick und seine Oberfläche durch streifenförmiges, elektrisch leitendes Material 1/1, 2/2... 2/n in mehrere, senkrecht zur Biegeachse angeordnete Zonen 3/1, 3/2... 3/n unterteilt. Aufeinanderfolgende Zonen des elektrostriktiven Materials sind vorzugsweise in den äusseren Schichten des Plättchens entgegengesetzt
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Polarisationstreifen2/l, 2/3... 2/ (n-l) durcheineVerbindungsleitung6zusammengefasstundbildeneinen Pol'7 des Biegungsschwingers. Zwischen den Polen 5 und 7 wird die Steuerspannung für den Schwinger angelegt.
In Fig. 2 ist die Draufsicht eines derartigen Schwingers dargestellt und auf eine zweckmässige Anordi nung derVerbindungsleitungen4 und 6 aufmerksam gemacht. Der Querschnitt des Plättchens ist hier rechteckig ausgebildet, wobei seine Länge wesentlich grösser ist als seine Breite, so dass der Schwinger stabförmig ist. Das elektrisch leitende Material ist in Form von Querstreifen auf der Oberfläche des Schwingers angeordnet. Die Querstreifen sind abwechselnd mit der einen oder andern Längsseite der Scheibe verbunden und die Längsseiten durch einen Auftrag von elektrisch leitendem Material leitfähig gemacht.
In Fig. 3 ist der Querschnitt des Plättchens kreisförmig. Die einzelnen Leiterstreifen sind in Form von konzentrischen, nicht geschlossenen Ringen 8/1, 8/2... 8/n auf der Oberfläche der Scheibe aufgebracht. Die geradzahligen Ringe sind durch eine Verbindungsleitung 9 miteinander verbunden und bilden inenPo110des Biegungsschwingers. Ebensosind die ungeradzahligen Ringe durch die Verbindungsleitung 11 miteinander verbunden und zum Pol 12 zusammengefasst. Zwischen den Ringen aus leitendem Material befinden sich ringförmige Zonen 13/1, 13/2... 13/n aus elektrostriktivem Material, von denen zwei benachbarte, vorzugsweise in den Oberflächenschichten entgegengesetzt polarisiert sind.
Fig. 4 zeigt ebenfalls einen kreisförmigen Biegungsschwinger, bei dem die Leiterstreifen in Form zweier ineinanderlaufender Spiralen 14 und 15 angeordnet sind. Bei dieser Anordnung erübrigen sich die fur die Zusammenfassung der Leiterstreifen sonst notwendigen Verbindungsleitungen. Durch die spiralen- förmigen Leiterstreifen wird auch zwangsläufig das elektrostriktive Material in spiralenförmige Zonen unterteilt, von denen zwei benachbarte, entgegengesetzt polarisiert sind. Diese Ausführungsform hat
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ebenso wie die Ausführungsform nach Fig. 3 im wesentlichen radialsymmetrische Biegungsachsen.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist die erfinderische Lösung in ihrer Anwendung gezeigt. Die Leiterstreifen sind im elektrostriktiven Material vertieft angeordnet. Es ist damit das elektrische Feld, durch das die Zonen zwischen den Leiterstreifen polarisiert werden, im wesentlichen in Richtung der Biegeachse ausgebildet. Dadurch wird ein besonders grosser Anteil der elektrischen Energie in den äusseren Schichten zur Erzeugung des Biegemomentes ausgenutzt. Diese liefern, wie bereits ausgeführt wurde, wegen des grössten Hebelarmes, auch den grössten Anteil am Biegemoment.
Damit sich bei der Ausführungsform nach Fig. 5, bei der sowohl auf der oberen als auch auf der unteren SeitedesstabförmigenSchwingersLeiterstreifenangeordnetsind,die Biegewirkungen der Ober- und der Unterseite gegenseitig unterstützen. muss die Voraussetzung erfüllt sein, dass entweder die übereinanderliegenden Zonen des elektrostriktiven Materials entgegengesetzt polarisiert und die übereinanderliegenden Querstreifen
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Schwingers angeschlossen sind. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist eine gleichsinnige Polarisation über- einanderliegender Zonen angenommen. Es sind deshalb die übereinanderliegenden Leiterstreifen 17/1 und 20/2 an zwei verschiedene Verbindungsleitungen 19 und 18 angeschlossen.
Das gleiche gilt für die übrigen Leiter- streifen.
Fig. 6 stellt einen Biegungsschwinger dar, bei dem das elektrostriktive Material auf einen schei- benförmigen, elastischen Träger 21 aufgebracht ist. Eine derartige Ausführungsform ist oftmals zweck- mässig bei der Verwendung eines Biegungsschwingers als Membran für einen elektroakustischen Wandler.
Ist hiebei, wie in Fig. 6, der elastische Träger an seinem äusseren Rand eingespannt, so hat bei einer Auslenkung des scheibenförmigen Trägers die ringförmige Randzone einen andern Krümmungssinn wie die kreisförmige Fläche in der Mitte. Würde das elektrostriktive Material nur auf einer Seite des Trägers die gesamte Oberfläche bedecken, so wäre die gleichsinnige Biegewirkung des elektrostriktiven Effektes an einigen Stellen der durch die Einspannung bedingten Biegekurve entgegengerichtet. Dadurch würde der erwünschte Effekt vermindert werden. Das elektrostriktive Material soll daher nicht die gesamte Oberfläche des Trägers bedecken, sondern nur jeweils solche Teilf1ächn, die den gleichen Krümmungssinn haben.
In Fig. 6 ist somit das elektrostriktive Material 22 in der Mitte des Trägers auf der Oberseite und am Rand auf der Unterseite angeordnet.
Fig. 7 zeigt die Ausführungsform eines stabförmigen Biegungsschwingers als Vierpol. Die Anordnung der Leiterstreifen und der Verbindungsleitungen entspricht der von Fig. 2. Es ist hier aber nur ein Teil 23 der geradzahligen bzw. ungeradzahligen Leiterstreifen durch je eine Verbindungsleitung zu je einem Pol 24 und 25 des Schwingers zusammengefasst. Der andere Teil 26 ist durch zwei weitere Verbindungsleitungen zu zwei weiteren Polen 27 und 28 geführt, so dass auf diese Weise ein elektrischer Vierpol entsteht.
Eine derartige Ausführungsform hat vor allem Bedeutung als Filterelement für elektrische Filter hoher Güte.
Die Beispiele sollten zeigen, an welchen, zum Teil bekannten Ausführungsformen sich die erfindungsgemässe Lösung vorteilhaft verwirklichen lässt. Die Ausführungsformen sind verwendbar zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie, z. B. als elektroakustische Wandler oder als frequenzbe- stimmende Zweipol-oder Vierpolelemente hoher Güte in elektrischen Filtern oder als Rückkopplungsnetzwerke für Schwingungserzeuger. Je nach Verwendungsart wird hiebei die eine oder andere der beschriebenen Ausführungsformen bevorzugt werden.
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Flexural transducer made of platelet-shaped, electrostrictive
material
The invention relates to a flexural oscillator made of platelet-shaped, electrostrictive material, the surface of which is strip-like, electrically conductive material (conductor strip) divided into several zones arranged perpendicular to the bending axis, in which two successive zones of the electrostrictive material, preferably in the outer layers of the plate, are oppositely polarized and the even-numbered and odd-numbered of the conductor strips are combined by a connecting line each and each form a pole of the oscillator.
The aim of the present invention is to increase the sensitivity of such flexural vibrators.
The inventive solution is characterized in that the conductor strips are arranged recessed in the electrostrictive material.
In the known flexural oscillators of the type mentioned in the introduction, the field lines between adjacent conductor strips run essentially in the vicinity of the neutral axis of the oscillator. This is due to the fact that the conductor strips are applied to the surface of the electrostrictive material and the field lines must end vertically at these conductor strips. As a result of this course of the field lines, the electrical energy supplied to the flexural oscillator is only poorly used, since the mechanical forces are then effective in the vicinity of the neutral axis. Because of the small lever arm, only small mechanical moments arise. By a recessed arrangement of the conductor strips in the electrostrictive material, however, it is possible to also use the outermost layers, u. I prefer to participate in the bending process.
The field lines then run essentially just below the surface between the edges of adjacent conductor strips, since this is the shortest path. The mechanical forces acting along these field lines, however, have the greatest distance from the neutral axis and thus also provide a significantly larger bending moment than the mechanical forces of field lines that run inside the material. Flexural oscillators of the type according to the invention are therefore significantly more sensitive than the known flexural oscillators in which the conductor strips are arranged on the surface, given the same other conditions.
For a better understanding of the mode of operation of a flexural oscillator of the type described in the introduction, its production will first be explained using an example.
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is also made much thinner, electrically conductive material applied in strips. Silver, for example, which is applied in any known manner, can be used as the conductive material. The conductor strips divide the electrostrictive material into individual zones and are connected to one another in such a way that the even-numbered and odd-numbered conductor strips are combined and each form one pole of the transducer. The distance between the conductor strips should be smaller than the thickness of the flexural oscillator. A DC voltage is now applied to the two poles of the oscillator, which, based on the distance between the conductor strips, is approximately 600 V / mm.
This voltage creates an electric field in the zones between the conductor strips, which polarizes the electrostrictive material. The polarization of electrostrictive material has a shape change regardless of the sign of the polarization voltage, e.g. B. result in an extension of the material in the direction of polarization.
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This means that in this case the outer layers of the plate are stretched and the plate is thereby tensed. In this state, the flexural oscillator is heated, u. between until the Curie temperature of the electrostrictive material is exceeded (for barium titanate about 1400 C) and then cooled again. In this way, even after the DC voltage source has been disconnected, the polarization caused by this in the electrostrictive material and thus the tension in the plate are retained. The polarization is opposite in the case of adjacent zones of the electrostrictive material.
If a control voltage is applied to the poles of a flexural oscillator prepared in this way, which is much smaller than the direct voltage previously used to generate the polarization, then the polarization voltage is either weakened or increased in adjacent zones of the electrostrictive material, depending on the polarity of the control voltage. As a result, the flexural oscillator changes its curvature in the same direction in adjacent zones, so that the entire plate is either more or less bent in the same direction of curvature.
The cross-section of the plate can have different shapes depending on the area of application. He can z. B. be rectangular or round, the conductor strips of this shape must adapt to the extent that they must each run perpendicular to the desired bending axis. The first embodiment is used, for example, as a filter element or as a frequency-determining element in the feedback network of a vibration generator when a high-quality resonant circuit element is important. The second type of execution is suitable, for. B. as a membrane for an electroacoustic transducer. For this, to achieve the greatest possible electroacoustic efficiency, an adaptation to the surrounding sound medium is often desired.
An adaptation is achieved, for example, in that the disc is made very thin, or in that a mechanical transmission element is provided with which the movement of the flexural oscillator is transmitted to an additional membrane. It would also be for this purpose
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different sense of curvature occur.
The invention is explained in more detail with reference to the drawing. 1-4 as well as 6 and 7 show some known arrangements in which the inventive solution can be advantageously used; in FIG. 5 the inventive solution itself is shown in a further embodiment.
Fig. 1 shows in cross section a plate 1 made of electrostrictive material. This is about 1 mm thick and its surface is divided by strip-shaped, electrically conductive material 1/1, 2/2 ... 2 / n into several zones arranged perpendicular to the bending axis 3/1, 3/2 ... 3 / n divided. Successive zones of electrostrictive material are preferably opposed in the outer layers of the wafer
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Polarization strips 2 / l, 2/3 ... 2 / (n-l) are combined by a connecting line 6 and form a pole 7 of the flexural oscillator. The control voltage for the oscillator is applied between poles 5 and 7.
In Fig. 2 the top view of such an oscillator is shown and attention is drawn to an expedient arrangement of the connecting lines 4 and 6. The cross section of the plate is rectangular here, its length being significantly greater than its width, so that the transducer is rod-shaped. The electrically conductive material is arranged in the form of transverse strips on the surface of the transducer. The transverse strips are alternately connected to one or the other longitudinal side of the pane and the longitudinal sides are made conductive by applying electrically conductive material.
In Fig. 3, the cross-section of the plate is circular. The individual conductor strips are applied in the form of concentric, non-closed rings 8/1, 8/2 ... 8 / n on the surface of the pane. The even-numbered rings are connected to one another by a connecting line 9 and form inenPo110 of the flexural oscillator. Likewise, the odd-numbered rings are connected to one another by the connecting line 11 and combined to form the pole 12. Between the rings made of conductive material there are ring-shaped zones 13/1, 13/2 ... 13 / n made of electrostrictive material, of which two adjacent, preferably in the surface layers, are polarized in opposite directions.
4 also shows a circular flexural oscillator in which the conductor strips are arranged in the form of two coils 14 and 15 running one inside the other. With this arrangement, the connecting lines otherwise required for combining the conductor strips are unnecessary. As a result of the spiral-shaped conductor strips, the electrostrictive material is inevitably divided into spiral-shaped zones, two of which are adjacent and polarized in opposite directions. This embodiment has
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just like the embodiment according to FIG. 3, essentially radially symmetrical bending axes.
In the embodiment according to FIG. 5, the inventive solution is shown in its application. The conductor strips are recessed in the electrostrictive material. The electric field by which the zones between the conductor strips are polarized is thus formed essentially in the direction of the bending axis. As a result, a particularly large proportion of the electrical energy in the outer layers is used to generate the bending moment. As already stated, these also provide the largest share of the bending moment due to the largest lever arm.
So that in the embodiment according to Fig. 5, in which conductor strips are arranged on both the upper and the lower side of the rod-shaped oscillating element, the bending effects of the upper and lower sides support one another. the requirement must be fulfilled that either the zones of the electrostrictive material lying one above the other polarize in opposite directions and the transverse stripes lying one above the other
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Schwingers are connected. In the exemplary embodiment according to FIG. 5, a polarization of the same direction of zones lying one above the other is assumed. The superposed conductor strips 17/1 and 20/2 are therefore connected to two different connecting lines 19 and 18.
The same applies to the other conductor strips.
6 shows a flexural vibrator in which the electrostrictive material is applied to a disk-shaped, elastic carrier 21. Such an embodiment is often expedient when using a flexural oscillator as a membrane for an electroacoustic transducer.
If, as in FIG. 6, the elastic carrier is clamped at its outer edge, when the disk-shaped carrier is deflected, the annular edge zone has a different sense of curvature than the circular surface in the middle. If the electrostrictive material were to cover the entire surface on only one side of the carrier, the bending action in the same direction of the electrostrictive effect would be opposite to the bending curve caused by the clamping at some points. This would reduce the desired effect. The electrostrictive material should therefore not cover the entire surface of the carrier, but only those partial surfaces that have the same sense of curvature.
In FIG. 6, the electrostrictive material 22 is thus arranged in the middle of the carrier on the upper side and at the edge on the lower side.
Fig. 7 shows the embodiment of a rod-shaped flexural oscillator as a quadrupole. The arrangement of the conductor strips and the connecting lines corresponds to that of FIG. 2. Here, however, only a part 23 of the even-numbered or odd-numbered conductor strips is combined by a connecting line to each pole 24 and 25 of the transducer. The other part 26 is led through two further connecting lines to two further poles 27 and 28, so that in this way an electrical quadrupole is created.
Such an embodiment is particularly important as a filter element for high quality electrical filters.
The examples are intended to show the embodiments, some of which are known, in which the solution according to the invention can advantageously be implemented. The embodiments are useful for converting electrical to mechanical energy, e.g. B. as electroacoustic transducers or as frequency-determining two-pole or four-pole elements of high quality in electrical filters or as feedback networks for vibration generators. Depending on the type of use, one or the other of the embodiments described will be preferred.