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Elektromechanischer Wandler zur Aufzeichnung oder Abtastung einer rillenförmigen Spur mit mindestens zwei Signalen verschiedener Schwingungsrichtung
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für eine Schallspur, die ein einziges Signal enthält. Damit ein solches Umwandlungselement für den mit der Erfindung verfolgten Zweck geeignet ist, kann er z. B. als rohrförmiger-Biegeschwinger ausgebildet sein, wobei die Elektroden an den für die beiden Signalspannungen wirksamen Teilen angebracht sind.
Das rohrförmige Umwandlungselement wird durch Anlegen einer elektrischen Spannung derart vorpolarisiert, dass die zwischen zueinander gehörenden Elektroden liegenden Teile bzw. Zonen der Rohrwand radial polarisiert sind, wobei benachbarte polarisierte Zonen in zueinander senkrechten Richtungen polarisiert sind, wobei jede der beiden Signalspannungen mindestens einer Aussenelektrode und gegebenenfalls einer entsprechenden Innenelektrode zugeführt oder entnommen wird. Auf diese Weise werden die beiden Anteile auf elektrischem Wege gebildet.
Bei einer besonderen Ausführungsform dieses Umwandlungselementes ist dieses in den für die Signalspannungen wirksamen Teilen bzw. Zonen in zwei verschiedenen, vorzugsweise zueinander senkrechten Richtungen vorpolarisiert und jede der beiden Signalspannungen einerseits einem Paar einander diametral gegenüberliegender Aussenelektroden, die den einen Pol bilden, und anderseits einem entsprechenden Paar miteinander verbundener Innenelektroden, die den andern Pol bilden, zugeführt oder entnommen wird, wodurch sich eine Parallelschaltung der beiden zu einem Signal gehörenden Teilspannungen ergibt und wobei die diametral einander gegenüberliegenden Teile radial im entgegengesetzten Sinn, also eines von innen nach aussen und das andere von aussen nach innen, polarisiert sind.
Zweckmässig ist das Umwandlungselement derart ausgebildet, dass beiden Signalspannungen eine gemeinsame, den ganzen Innenumfang des Körpers bedeckende Innenelektrode zugeordnet ist. Die Herstellung eines derartigen Umwandlungselementes ist in technologischer Hinsicht sehr einfach, daher ist diese Ausführungsform besonders wichtig.
Bei einer andern Ausführungsform des rohrförmigen Umwandlungselementes, wobei dieses in den für die Signalspannungen wirksamen Teilen bzw. Zonen in zwei zueinander senkrechten Richtungen vorpola-
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einander diametral zu ihr liegenden Aussenelektrode, die den andern Pol bildet, zugefügt oder entnommen wird, wobei die entsprechenden, diametral liegenden Innenelektroden miteinander verbunden sind, wodurch sich eine Serienschaltung der beiden zu einem Signal gehörenden Teilspannungen ergibt und wobei die diametral einander gegenüberliegenden Teile radial im gleichen Sinn, also beide von innen nach aussen oder umgekehrt, polarisiert sind. Die zu den verschiedenen Signalen gehörenden Blektroder des Umwandlungselementes können nebeneinander angeordnet sein.
Eine besondere Ausführungsform dieses Umwandlungselementes besteht darin, dass die dem einen Signal zugeordneten Elektroden axial in bezug auf die für das andere Signal. bestimmten Elektroden versetzt sind, wobei die Elektroden auch in dieser Richtung einander nicht berühren und wobei jedem der Aussenelektrodenpaare eine Innenelektrode zugeordnet ist, die den ganzen Innenumfang des-Körpers bedeckt, wobei insbesondere die zu den verschiedenen Signalen gehörenden Innenelektroden auch. untereinander verbunden sein können. Auf diese Weise kann das Element in technologisch verhältnismässig einfacher Weise mit Innenelektroden versehen werden.
In den vorstehend beschriebenen Fällen ist es möglich, das Umwandlungselement, wenn auf ihm die Aussenelektrodenpaare in axialer Richtung gegeneinander versetzt angebracht sind, als rohrförmigen Körper aus einem Stück herzustellen oder es aus zwei derartigen Körpern aufzubauen, die in axialer Richtung unmittelbar hintereinander liegen, jedoch um einen Winkel von 900, gegeneinander verdreht sind und mechanisch miteinander verbunden sind. Solche Umwandlungselemente können nicht nur aus keramischem, piezoelektrischem Material, wie BaTi03, sondern auch aus andern Werkstoffen mit piezoelektrischen Eigenschaften, wie natürlichem Quarz, oder synthetischen piezoelektrischen Werkstoffen, wie synthetischem Quarz, Seignettesalz, ADP (Ammoniumdihydrogenorthophosphat) hergestellt sein.
Der natürliche Quarz besitzt bipolare Kristallachsen, auf welche die piezoelektrischen Eigenschaften zurückzuführen sind. Dieser Zustand ist vergleichbar mit der remanenten Polarisation von Materialien, welche dazu zuerst vorpolarisiert sind. Auch diese rohrförmigen Umwandlungselemente sollen bei der Vorrichtung nach der Erfindung ausschliesslich auf Biegung beansprucht werden. Zu diesem Zweck wird bei einem aus BaTiOg hergestellten Umwandlungselement der rohrförmige Körper auf bekannte Weise radial vorpolarisiert. Damit ein Rohr aus Quarz oder Seignettesalz bei Beanspruchung auf Biegung eine elektrische Spannung abgibt, muss es hingegen so aus dem Material geschnitten sein, dass eine der für eine derartige Beanspruchung geeignete Kristallachsen in einer zur Mittellinie des Rohres senkrechten Ebene liegt.
Das Element nach der Erfindung kann nicht nur aus rohrförmigen Körpern, sondern auch aus plattenförmigen Körpern bestehen, -die dann gleichfalls aus mindestens zwei Teilen unmittelbar zu einem Ganzen vereinigt sind, die je für sich wenigstens im wesentlichen nur auf eine der beiden Schwingungsrich- tungen-insprechen. Dazu ist es nötig, zwei solcher Platten in der Längsrichtung hintereinander kreuzför-
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mig miteinander zu verbinden.
Solche Umwandlungselemente können wieder aus einem keramischen piezoelektrischen Material, wie BaTiO,, hergestellt sein, in welchem Falle sie nur auf Biegung beansprucht werden, oder aus einem Material mit piezoelektrischen Eigenschaften, wie natürlichem Quarz, synthetischem Quarz, Seignettesalz u. dgl., bestehen, in welchem Falle sie sowohl auf Biegung als auf Torsion beanspruchbar sind. Damit eine Seignettesalzplatte auf Torsion beansprucht werden kann, nimmt
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soll, den "450 X-Schnitt" aus dem Material nimmt.
Wenn die Körper aus Seignettesalz bestehen, kann die Verbindung zu einem einzigen Umwandlungselement durch Aneinanderkleben der Rohre bzw. Platten erfolgen, während diese Verbindung, wenn die Körper aus keramischem Material bestehen, durch Löten oder Zusammensintern während der Herstellung der Platten erzielt werden kann. Auch in diesen Fällen werden die beiden Teile, die je im wesentlichen auf zwei verschiedene Schwingungsrichtungen ansprechen, auf mechanischem Wege zu einem einzigen Umwandlungselement vereinigt.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei entsprechende, Teile mit den gleichen Bezugsziffern versehen sind.
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dung vorpolarisiert werden kann, Fig. 2 stellt den in dieser Weise vorpolarisierten Körper bei der Verwendung als Umwandlungselement nach der Erfindung dar. Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Weise, in der in Fig. 1 der Körper vorpolarisiert wird und Fig. 4 zeigt die Schaltung für das so hergestellte Umwandlungselement, Fig. 5 zeigt das Umwandlungselement nach Fig. 2 in einer praktischen Ausführungform und Fig. 6 das Umwandlungselement nach Fig. 4 in einer praktischen Ausführungsform, während in Fig. 7 eine Ausführungsform dargestellt ist, bei welcher die auf die Signalspannung ansprechenden Teile in Form rohrförmiger Körper aneinandergeklebt sind.
Fig. 8 zeigt eine Umwandlungsvorrichtung, bei der die Teile des Umwandlungselementes in Form abgeplatteter rohrförmiger Körper aneinandergeklebt sind, Fig. 9 stellt eine Umwandlungsvorrichtung mit plattenförmigen, auf Biegung beanspruchten Teilen dar, Fig. 10 stellt eine Umwandlungsvorrichtung mit plattenförmigen, auf Torsion beanspruchten Teilen dar, Fig. 11 zeigt einen Schnitt gemäss der Linie XI-XI der Umwandlungsvorrichtung nach Fig. 10, während schliesslich Fig. 12 einen Kreuzriss des Umwandlungselementes gemäss Fig. 10 darstellt. Fig. 13 zeigt schematisch eine Platte des Wandlers nach Fig. 10, insbesondere wie sie sich unter der Wirkung der Torsionsbeanspruchung verformt. Fig. 14 stellt einen Schrägriss des Wandlers nach Fig. 10 dar.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen rohrförmigen Körper in Form eines hohlen Kreiszylinders 1.
Dieser Körper ist aus keramischem, piezoelektrischem Material, z. B. BaTiO,, hergestellt. An verschiedenen Stellen auf dem Aussen- und Innenumfang des Körpers sind Elektroden 2-9 angebracht, die sich in Längsrichtung des Körpers erstrecken und an welche die Vorpolarisationsspannungen angelegt werden können. Wenn die Plusklemme der Polarisationsspannungsquelle an die Aussenelektroden 2-5 und die Minusklemme an die Innenelektroden 6-9 gelegt wird, ergeben sich im Körper vier Teile mit radialer remanenter Polarisation, die paarweise auf Signalspannungen mit verschiedener Schwingungsrichtung ansprechen.
Die Polarisation in den Teilen zwischen den Elektroden 2,6 und 4,8 entspricht nämlich den Pfeilen 10 und die in den Teilen zwischen den Elektroden 3,7 und 5,9 entspricht den Pfeilen 11, wobei der radiale Sinn der Pfeile 10 bzw. 11 gleich ist. Zur Feststellung, wie die von dem Nadelhalter ausgeübte Kraft und die daraus resultierenden elektrischen Spannungen sich gegenseitig verhalten, sei angenommen, dass zufolge einer auf die Anordnung wirkenden Kraft eine Auslenkung nach links (Fig. l) erfolgt. Hieraus ergibt sich für das Material in der Zone zwischen den Elektroden 4 und 8 eine Stauchung, während das Material in der Zone zwischen den Elektroden 6 und 2 eine Ausdehnung erfährt.
Dadurch ist die Richtung der entstehenden elektrischen Spannung zwischen den Elektroden4 und 8 in Richtung der Polarisation, jedoch zwischen den Elektroden 6 und 2 gegen die Polarisation gerichtet. Analoge Verhältnisse liegen bei andern Kraftrichtungen bzw. bei dem andern Elektrodenpaar vor. Ein auf diese Weise hergestelltes Umwandlungselement kann bei einer Vorrichtung zum Aufzeichnen oder Abtasten einer rillenförmigen Aufzeichnungsspur, in der zu gleicher Zeit zwei Signale mit unterschiedlicher Schwingungsrichtung z.
B. in Form der 45-45 Schrift aufgezeichnet sind, mit Hilfe eines gemeinsamen Aufzeichnungs - bzw. Abtastgliedes Anwendung finden. La diesem Zweck kann der Körper beim Aufzeichnungs - bzw. Abtastvorgang in bekannter Weise an einem Ende eingeklemmt und am andern Ende mit einem Aufzeichnungs- bzw. Abtastglied versehen sein.
Wenn, wie in Fig. 2 dargestellt, das eine Signal (das x-Signal) über einen Verstärker 12 an die Elektroden 3,5 und. das andere Signal (das y-Signal) über einen Verstärker 13 an die Elektroden 2,4 gelegt wird, während die Innenelektroden 7,9 bzw. 6,8 jeweils unmittelbar miteinander verbunden werden, bewirken die Änderungen des x-Signals eine Biegung des Körpers in einer durch die Achse des Zylinders 1 gehenden vertikalen Ebene und die Änderungen des y-Signals eine Biegung in einer durch die Zylinder-
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achse gehenden horizontalen Ebene. Auf diese Weise ist es möglich, die x-Änderungen für eine Tiefenmodulation und die y-Änderungen für eine seitliche Modulation der Rille zu benutzen. Selbstverständlich ist es durch Drehung des Wandlers um 450 auch möglich denselben für das sogenannte 45-450 Schriftsystem zu verwenden.
Beim Abtasten der Modulationen in der Rille ergibt sich gerade das Umgekehrte, d. h. die doppelte Information in der Rille wird wieder in zwei gesonderte Signale geteilt, die je von dem darauf ansprechenden Teil dem zugeordneten Verstärker 12 bzw. 13 zugeführt werden.
Selbstverständlich wirkt das Umwandlungselel1lent, wenn nur zwei benachbarte Teile z. B. 5-9 und 6-2 im Körper vorhanden sind oder benutzt werden, die verschiedene Polarisationsrichtungen aufweisen, auf die gleiche Weise, jedoch besitzt es dann nur die halbe Empfindlichkeit. Selbstverständlich sollen in diesem Fall die Innenelektroden nicht unmittelbar miteinander verbunden sein.
In Fig. 3 ist die Vorpolarisation derart durchgeführt, dass sich zwei Polarisationsrichtungen entsprechend den Pfeilen 14 bzw. 15 ergeben. Im Gegensatz zur Polarisationsrichtung nach Fig. 1 haben die
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Spannung mit den Aussenelektroden 3,5 bzw. 2,4 verbunden wird. Selbstverständlich ist es auch möglich, im letzteren Fall die zweite Klemme der x-bzw. y-Spannung an eine der beiden Aussenelektroden
3,5 bzw. 2,4 zu legen. Ferner ist es möglich, die Innenelektroden in vier gesonderte Elektroden zu teilen ; es dürfte jedoch einleuchten, dass es in technologischer Hinsicht vorteilhafter ist, im Inneren des
Rohres eine gemeinsame Elektrode anzubringen.
Wird gewünscht, dass die jeweils einem Paar von Aussenelektroden zugeordneten Innenelektroden auch bei einer Anordnung gemass Fig. 2 über den ganzen Innenumfang des Rohres angebracht sind, so müssen die beiden-Aussenelektrodenpaare auf dem Rohr derart axial verschoben angeordnet werden, dass sie sich nicht überlappen. Dies ist deshalb notwendig, damit sich die beiden Innenelektroden nicht gegenseitig berühren, wie es bei einer Anordnung mit einer entsprechend der in Fig. 2 gewählten Vorpolarisationsrichtung sein muss. Ein derartiges Umwandlungselement zeigt Fig. 5. Entsprechend obigen Ausführungen sind die Aussenelektroden 3,5 für das x-Signal axial versetzt gegen die Aussenelektroden 2, 4 für das ySignal, wobei die Innenelektroden jeweils den ganzen Umfang bedecken, sich aber nicht berühren.
Durch eine geeignete Wahl der Abmessungen der Wandlerelemente kann erreicht werden, dass bei Abtastung von zwei Signalen gleich grosser Amplitude auch gleich grosse Signalspannungen erzeugt werden.
Die Aussenelektrodenpaare können selbstverständlich auch beim Umwandlungselement nach Fig. 4 auseinandergezogen werden. Auf diese Weise ergibt sich das in Fig. 6 dargestellte Element. Die eine Klemme des Verstärkers für das x-Signal wird mit den Aussenelektroden 3 und/oder 5 und eine Klemme des Verstärkers für das y-Signal mit den Aussenelektroden 2 und/oder 4 verbunden, während die Innenelektrode sich über die ganze Länge des Rohres erstreckt und mit den beiden andern Klemmen der Verstärker verbunden oder geerdet wird, wobei auch die. beiden andern Klemmen dieser Verstärker geerdet werden müssen.
Das Umwandlungselement nach der Erfindung kann nicht nur aus einem einteiligen Körper bestehen, wobei die auf die beiden Signalspannungen ansprechenden Teile auf elektrischem Wege (durch Vorpolarisation) erhalten werden, sondern es kann auch dadurch hergestellt werden, dass man von mindestens zwei gesonderten Teilen ausgeht, die auf mechanischem Wege zu einem einzigen Umwandlungselement verbunden werden.
In Fig. 7 bestehen die erwähnten Teile aus zwei rohrförmigen Körpern 17 und 18, die in axialer Richtung hintereinander liegen, jedoch so gegeneinander verdreht sind, dass das Aussenelektrodenpaar 3, 5 für das x-Signal in bezug auf das Aussenelektrodenpaar 2, 4 für das y-Signal um 900 versetzt ist. Im Fall von Seignettesalz kann die mechanische Verbindung der beiden Teile 17,18 durch Kleben, bei BaTiOg durch Löten oder Sintern an der Stelle 19 hergestellt werden.
Auf gleiche Weise ist durch mechanische Verbindung zweier rohrförmiger Teile das Umwandlungselement nach Fig. 6 erzielbar, wobei auch hier die eine Klemme des Verstärkers des x-Signals an die Elektrode 3 und/oder 5 und die des Verstärkers des y-Signals an die Elektrode 2 und/oder 4 gelegt wird, während die andere Klemme des Verstärkres des xbzw. y-Signals an Erde gelegt werden kann, wenn die Innenelektrode gleichfalls geerdet ist. Solche auf mechanische Weise verbundene rohrförmige Körper, die auf Biegung beansprucht werden, können nicht nur aus einem Material, wie. BaTiO,, aus Quarz, Seignettesalz od. dgl., sondern auch aus synthetisch hergestellten Materialien, z. B. synthetischem Quarz, bestehen.
In Fig. 8 ist schematisch eine Umwandlungsvorrichtung mit einem rohrförmigen Umwandlungselement angegeben, das aus zwei mechanisch miteinander verbundenen Teilen 20 und 21 besteht, deren Querschnitt nicht kreisförmig ist, und Elektrodenanordnungen entsprechend den Polarisationsrichtungen in
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den einzelnen Teilen bzw. Zonen wie die vorangehend beschriebenen Ausführungsbeispiele besitzt. Das
Umwandlungselement ist in der übliche, Weise an einem Ende eingeklemmt und am andern Ende mit einem Aufzeichnungs-oder Abtastglied 22 versehen. Es ist auch möglich, das Element auf beiden Seiten einzuklemmen und es in der Mitte mit dem Abtast- oder Aufzeichnungsglied zu versehen.
Fig. 9 zeigt schematisch eine Umwandlungsvorrichtung mit einem Umwandlungselement, dessen
Teile 23 und 24 je aus zwei homogenen plattenförmigen Körpern bestehen, die durch eine leitende In- nenelektrode miteinander verbunden sind, wobei diese Teile 23 und 24 eine geeignete Polarisation auf- weisen und auf Biegung beansprucht werden sollen. Als Material, aus dem die Teile hergestellt werden, kommt ein Material, wie BaTiO, Quarz, Seignettesalz u. dgl. in Frage. Diese Teile sind mechanisch dadurch zu einem einzigen Umwandlungselement miteinander vereinigt, dass zwei gleiche Körper in der
Längsrichtung hintereinander kreuzförmig miteinander verbunden sind.
Wenn als Material für die plat- tenförmigen Körp8r BaTi03 Verwendung findet, besteht jeder Körper 23 und 24 aus zwei über eine Zwi- schenlage miteinander verbundenen Platten, in denen die Polarisationsrichtung senkrecht zu den Haupt- flächen ist.
In Fig. 10 bzw. im Schrägriss in Fig. 14 ist schematisch eine Umwandlungsvorrichtung mit einem
Umwandlungselement angegeben, dessen Teile gleichfalls aus plattenförmigen Körpern 25, 26 bestehen, die mechanisch dadurch vereinigt sind, dass sie in der Längsrichtung hintereinander kreuzförmig verbun- den sind und die auf Torsion beansprucht werden sollen. Dazu sind die Platten 25,26 je mit zwei gabel- förmigen ortsfesten Lagern 27,28 bzw. 29, 30 versehen, welche eine Verschiebung der Platten innerhalb der Gabeln gestatten, jedoch ein Ausweichen senkrecht zur Plattenebene verhindern (s. auch Fig. 11, 12).
Für jede Platte ergibt sich dadurch eine Dreipunktlagerung, welche für die Platte 26 durch die Lager- punkte 29,30 sowie den Punkt 32 der Platte 25 gegeben ist, die für eine senkrecht zur Ebene der Platte 26 erfolgende Auslenkung der Platte 26 steif ist. Für die Platte 25 stellen die Punkte 27,28 und 31 die Lagerung dar, während der Punkt 32 für diese Platte der bewegliche Punkt ist. Weil die Platte 26 für eine senkrecht zur Ebene der Platte 25 erfolgende Auslenkung der Platte 25 steif ist.
Greift beispielsweise, wie in Fig. 13 dargestellt ist, im Punkt zeine auf die Platte 25 senkrecllt stehende Kraft 33 an, so wird die Platte deformiert. Der mittlere entlang der Diagonale 35 verlaufende Plattenteil wird nach unten gebogen. Dieser Plattenteil weist nun einen konvexen Verlauf auf. Die in den Lagern 27 und 28 geführten Randpartien der Platte 25 können jedoch dieser Bewegung nicht folgen, wodurch eine zweite Krümmung der Platte 25 entlang der Diagonale 36 hervorgerufen wird, welche der Krümmung entlang der Diagonale 35 gerade entgegengesetzt und daher konkav ist. Es entsteht also eine Sattelfläche, wie sie für eine auf Torsion beanspruchte Platte charakteristisch ist. Die auf die Platte wirkenden Torsionsmomente sind durch die Pfeile 37 und 38 in Fig. 13 angedeutet.
In analoger Weise vollzieht sich die Deformation der Platte 26, wenn am beweglichen Punkt dieser Platte, wo die Nadel 22 angreift, eine zur Ebene dieser Platte senkrecht gerichtete Kraft 34 angreift.
Wie aus Obigem hervorgeht, erfolgt demnach bei der Abtastung die Trennung bzw. bei der Aufzeichnung die Zusammensetzung der zwei Signale dadurch, dass die Hauptflächen der beiden Platten 25 und 26 zueinander senkrecht sind. Es ist nämlich, wie bereits erwähnt, dann jeweils eine der Platten gegenüber der andern steif, so dass eine in Richtung einer Plattenfläche wirkende Kraft nur die andere Platte durch Torsion verwölben kann. Bei einer Deformation der Platte 25 durch Kräfte, entsprechend der Pfeilrichtung 33 (Fig. 12) z. B. unter der Einwirkung einer Änderung der x-Spannung, folgt die Platte 26 zufolge ihrer Steifheit in Pfeilrichtung 33 den Bewegungen des Punktes 32, wobei sie in ihren Lagern 29 und 30 in Richtung der Pfeile 33 verdreht wird.
Im umgekehrten Fall, wenn die Platte 26 entsprechend der Pfeilrichtung 34 (Fig. 12) deformiert wird, ist die Platte 25 steif und verschiebt sich lediglich in ihren Lagerungen 27 und 28.
PATENTANSPRÜCHE ;
1. Elektromechanischer Wandler zur Aufzeichnung oder Abtastung einer rillenförmigen Spur mit mindestens zwei Signalen verschiedener Schwingungsrichtung, welcher ein einziges Umwandlungselement aufweist, das aus mindestens zwei Teilen unmittelbar zu einem Ganzen vereinigt ist bzw. mindestens zwei Zonen aufweist, die je für sich wenigstens im wesentlichen nur auf eine der beiden Schwingungsrichtungen ansprechen, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile bzw. Zonen des Umandlungselementes (1) aus piezoelektrischem Material bestehen und dass in aneinandergrenzenden polarisierten Teilen bzw.
Zonen die Richtungen der piezoelektrisch wirksamen Achsen (10,11 bzw. 14, 15). senkrecht zueinander sind.