Piezoelektrisches Wandlerelement Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektri- sches Wandlerelement, das einen plattenförmigen, gegebenenfalls mit einem oder mehreren Hohlräumen versehenen Körper enthält, der aus Material mit piezoelektrischen Eigenschaften hergestellt ist.
Für eine Vorrichtung zum Aufzeichnen oder Abtasten einer rillenförmigen Aufzeichnungsspur, in der gleichzeitig zwei aufeinander senkrecht stehende Schwingungen aufgezeichnet werden bzw. worden sind, mit Hilfe eines gemeinsamen Aufzeichen- bzw. Abtastgliedes, welcher Körper aus zwei Teilen besteht, die je ausschliesslich auf eine der beiden Schwingungsrichtungen ansprechen.
Eine Vorrichtung mit einem derartigen Wandler- element ist aus der deutschen Auslegeschrift Nr.<B>1067</B> 232 bekannt. Die beiden Teile, in die der Wandlerkörper teilbar ist, bestehen hier je aus einer Kristallplatte. Der Aufbau der Vorrichtung ist dabei derart, dass das Wandlerelement waag recht angeordnet und an einer Seite eingeklemmt ist, während am andern Ende ein nachgiebiger Kör per angebracht ist, der die Verbindung des Elementes mit dem Nadelhalter herstellt. Die Achse des Nadel halters ist gleichfalls etwa waagrecht gerichtet.
Hier durch ergibt sich eine symmetrische Anordnung des sogenannten 0-90 -Systems, das heisst, die beiden Schwingungsrichtungen werden oder sind waagrecht bzw. senkrecht in der rillenförmigen Spur geschnit ten. Bei Abtastung der Spur wird durch eine waag rechte Auslenkung eine Platte des als sandwich ausgebildeten Wandlerelementes lediglich auf Torsion beansprucht, für welche Bewegung die andere Platte unempfindlich ist, während diese letztere durch eine senkrechte Auslenkung der Nadel auf Biegung be ansprucht wird,
für die die erste Platte unempfind lich ist. Wenn man für eine Aufzeichnungs- oder Abtast- vorrichtung ein Wandlerelement schaffen will, das sich zur Verwendung des sogenannten 45-45 -Sy- stems eignet, so könnte man zu diesem Zweck vom bekannten Element ausgehen, indem dieses unter einem Winkel von 45 zur waagrechten Ebene an geordnet wird, aber dies hätte den Nachteil, dass es sich dann nicht mehr um eine symmetrische Anord nung handelt.
Man könnte weiter unter Beibehaltung der symmetrischen Anordnung die Signale mit Hilfe eines einfachen Netzwerkes derart um 45 in der Phase verschieben, dass die beiden Schwingungs richtungen unter 45' in der rillenförmigen Spur auf gezeichnet werden. Die Widerstände usw. aus denen dieses Netzwerk aufgebaut ist, führen jedoch einen unerwünschten Spannungsverlust herbei und bilden eine unnötige Komplikation.
Der beabsichtigte Zweck .ist auf einfachere und zweckmässigere Weise gemäss der Erfindung dadurch erreichbar', dass jeder der beiden Teile des Körpers sowohl auf Biegung als auch auf Torsion anspricht, während die Teile sich derart in den piezoelektrischen Eigenschaften voneinander unterscheiden, dass beim Aufzeichnen oder Abtasten einer Spurkomponente mit einer: Schwingungsrichtung unter 451 zur Auf zeichnungsebene die den Deformationen dieser Spur komponente entsprechenden elektrischen Signalfelder im einen Teil des genannten Körpers gleich gerich tet sind.
Auf diese Weise lässt sich eine waagrechte An ordnung beibehalten, wodurch die Symmetrie gesi chert ist, was selbstverständlich auch bei senkrechter Anordnung des Wandlerelementes der Fall ist. Als Material, das für die Herstellung des Wandler elementes verwendet werden kann, sei keramisches Material erwähnt, das eine remanente Polarisation aufweist, z. B. Barium- oder Strontiumtitanate, jedoch insbesondere die Blei-Zirkon-Titanate und die natür lichen, oder künstlichen Kristalle, die eine natür liehe Polarisationsrichtung aufweisen, wie Quarz, Turmalin oder Seignettesalz.
Es ist bekannt, dass aus diesen Materialien plattenförmige Körper verschiedener Gestalt her stellbar sind. Hierbei soll nicht nur an die einfachen flachen Platten, die aufeinandergeklebt ein Wandler, element vom sogenannten sandwich -Typ liefern, sondern auch an verwickeltere Formen gedacht wer den, wie Körper mit einem Hohlraum, mit mehreren Hohlräumen oder mit einem komplizierten Kanal- System. Die Wahl hängt in all diesen Fällen von dem mechanischen oder physikalischen Anforderungen ab, die an das Element gestellt werden,
und von den verfügbaren Werkzeugen und Fähigkeiten.
Im Prinzip kann man zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens jede Kombination von zwei der vorstehend erwähnten Gestaltungen wählen, obgleich mit Rücksicht auf die Symmetrie erwogen werden soll, zwei identische Körper zu benutzen, z. B. zwei Körper vom sogenannten sandwich -Typ, die neben einander angeordnet werden, wodurch das so erhal tene Wandlerelement die bevorzugten Merkmale auf weist, dass jeder der Teile des Wandlerkörpers aus zwei Platten besteht, die mit den Seitenflächen an einander grenzen, wobei eine Platte lediglich auf Bie gung und die andere lediglich auf Torsion anspricht,
während die Teile durch zwei miteinander verbun dene Elektroden voneinander getrennt sind.
Bei einer Ausführungsform des Wandlerelementes nach der Erfindung, bei der gleichfalls zwei sand- wiches nebeneinander angeordnet sind, besteht jeder der Teile des Wandlerkörpers aus zwei Platten, die zueinander nach Art zweier Diagonalen angeordnet sind und von denen zwei Elektroden miteinander ver bunden sind, wobei eine Platte lediglich auf Biegung und die andere lediglich auf Torsion anspricht.
In den erwähnten Fällen kann vorteilhaft eine Torsions- und/oder eine Biegungsplatte wegfallen, mit der Massgabe, dass der restliche Teil des Wandler körpers an sich wiederum vom sandwich -Typ ist, während diejenige der beiden Torsions- oder. Bie- gungsplatten, die nach Fortfall einer solchen Platte übrigbleibt, nicht mit einem Elektrodenpaar, sondern mit zwei Elektrodenpaaren versehen wird.
Wenn sowohl eine Torsionsplatte als auch eine Biegungsplatte in Wegfall kommen, weist ein. Wand- lerelement gemäss der Erfindung, bei dem insbeson dere der Wandlerkörper aus zwei Platten besteht, deren Hauptflächen aneinandergrenzen, wobei eine Platte lediglich auf Biegung und die andere Platte lediglich auf Torsion anspricht, das bevorzugte Merk mal auf, dass die Hauptflächen je mit zwei sich in der Längsrichtung der Platte-erstreckenden Elektro den bedeckt sind,
wobei eine Elektrode der auf Torsion ansprechenden Platte mit einer Elektrode der auf Biegung ansprechenden Platte unmittelbar verbunden ist. In all diesen Fällen ergibt sich ein Element, das, wenn die übigen Elektroden jedes Teils miteinander verbunden sind, für das 45-45 -System geeignet ist.
Wenn diese Verbindungen unterbrochen werden, eignet sich das Element für das 0-90 -System. Des halb können Schaltmittel vorhanden sein, durch die in einer Stellung eines Schalters die Elektroden, die .in bezug auf die miteinander verbundenen Elektro den eines auf beide Deformationen ansprechende Teils gerade auf der andern Hauptfläche der Platten liegen, miteinander verbunden sind, während in der andern Stellung des Schalters diese Verbindung unterbrochen ist.
Obgleich bei einer Kombination von z. B. zwei sandwiches nebeneinander durchaus nicht immer der -Machteil eine Rolle spielt, dass zuviel Raum be ansprucht wird, kann dennoch der Fall eintreten, dass man die Möglichkeit eines universellen Wandler- elementes nicht zu benutzen wünscht. In diesen Fällen ermöglicht die Erfindung eine Lösung, die sich nur für das 45-45 -System eignet und einen kompakten Bau dadurch ergibt, dass vorzugsweise jeder Teil des Wandlerkörpers aus einer einzigen Platte besteht, die sowohl auf Biegung als auch auf Torsion anspricht.
Bei einer besonderen Ausführungsform, bei der die Platten so aus den Kristallen herausgeschnitten sind, dass die Hauptflächen der Platten senkrecht zur elektrischen Achse verlaufen, bilden die Seitenflächen der Platten einen Winkel a (wobei 0 < a < 45 ), vorzugsweise einen Winkel von 22,5 mit der mecha nischen oder optischen Achse.
Bekanntlich spricht eine Platte, die so ausge schnitten ist, dass der Winkel a = 0 ist, nur auf Torsion an, während eine Platte, bei der der Winkel a = 45' ist, nur auf Biegung anspricht. Dadurch, dass der Schnitt so durchgeführt wird, dass der Win kel a der Beziehung<I>0 < a < 45 </I> genügt, ergibt sich eine Platte, die sowohl auf Biegung als auch auf Torsion anspricht.
Obgleich es für bestimmte Anwendungen, z. B. die Aufzeichnung oder Abtastung zweier Signale, von denen eines ein monaurales und das andere ein Effektsignal ist, gleichgültig ist, unter welchem Winkel a die beiden Platten ausgeschnitten sind, ist es unter anderem für Stereophoniezwecke erwünscht, den Winkel a so zu wählen, dass die einer der Schwingungsrichtungen entsprechenden Signalfelder so entgegengesetzt sind, dass sie sich aufheben.
Wenn a = 22i/2 ist, ist die übersprechdämpfung zwischen den beiden stereophonischen Kanälen maximal, das heisst, wenn eine Stereophonieplatte abgetastet wird, in der die Aufzeichnung dem 45-45 -System ent spricht, wird, wenn nur eine Modulation in der linken Rillenwand vorhanden ist, nur von einem der Teile des. Wandlerelementes eine Spannung abgege ben, während der andere Teil völlig spannungslos ist.
Bei einer andern Ausführungsform des für das 45-45 -System geeigneten Wandlerelementes sind die Platten des Wandlerkörpers aus keramischem piezoelektrischem Material hergestellt, das durch ein Feld vorpolarisiert ist, dessen Feldlinien in einer Ebene liegen, die schräg in bezug auf die Haupt flächen der Platten ist, vorzugsweise einen Winkel von 45 mit ihnen bildet und die Hauptflächen ge mäss einer zu einer der Seitenflächen parallelen Linie schneidet.
Es ist bekannt, dass ein Körper aus keramischem piezoelektrischem Material sich als ein reiner Biege schwinger verhält, wenn er in einer Richtung senk recht zu den Hauptflächen vorpolarisiert ist, und auf reine Torsion anspricht, wenn er in der Längsrich tung vorpolarisiert ist.
Auch hier gilt, dass für be sondere Verwendungen, unter anderem für Stereo phoniezwecke, der Winkel, unter dem die Platte vor polarisiert werden muss, damit sie in gleichem Masse auf Biegung und Torsion anspricht, etwa die Hälfte des Winkels sein muss, den die erwähnten Polarisa- tionsrichtungen einschliessen.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger in der beiliegenden Zeichnung dargestellter Ausfüh rungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 stellt die Orientierung der Anisotropie- achsen in einem kristallinischen Material dar.
Die Fig. 2 und 3 stellen einen Torsionsparallel- schwinger dar.
Die Fig. 4. und 5 stellen einen Biegungsparallel bzw. -reihenschwinger dar.
Die Fig. 6-18 stellen ein Wandlerelement gemäss der Erfindung aus kristallinem Material dar. Dabei zeigen die Fig. 6-12 ein Wandlerelement in Form eines sandwich , das aus zwei Platten besteht, von denen jede sowohl auf Biegung als auch auf Torsion an spricht, so dass sich das Element für das 45-45'- System eignet, während die Fig. 13-16 unterschiedliche, als sandwich ausgebildete Wandlerelemente darstellen, die aus vier Platten bestehen,
wobei insbesondere die in den Fig. 14-16 dargestellten Wandlerelemente infolge des Vorhandenseins von Schaltmitteln universell sind. Fig. 17 stellt gleichfalls ein universelles Wandler- element in Form eines sandwich dar, das drei Platten enthält.
Fig. 18 stellt gleichfalls ein universelles Wandler- element dar, das zwei nebeneinander angeordnete Hohlkörper enthält.
Die Fig. 19 und 20 stellen einen Torsionsparallel- schwinger aus keramischem Material dar.
Die Fig. 21 und 22 zeigen einen Biegeparallel- bzw. -reihenschwinger aus keramischem Material. Die Fig. 23-28 stellen ein Wandlerelement ge mäss der Erfindung dar, das aus keramischem Mate rial hergestellt ist. Hierbei stellt Fig. 23 ein Wandl'erelement in Form eines sand- wich dar, das aus zwei Platten besteht, von denen jede nicht nur auf Biegung, sondern auch auf Torsion anspricht, so dass das Element für das 45-45 -System geeignet ist.
Die Fig. 24 und 25 stellen universelle Wandler- elemente in sandwich Ausbildung dar, die aus vier Platten bestehen und mit Schaltmitteln versehen sind.
Fig. 26 stellt gleichfalls ein universelles Wandler- element dar, das zwei aneinander befestigte platten förmige Hohlkörper enthält.
Fig. 27 stellt ein universelles Wandlerelement dar, das aus der Kombination von zwei massiven Platten in Form eines sandwich einerseits und einem mit mehreren Hohlräumen versehenen Körper anderseits besteht.
Fig. 28 zeigt ein hohles plattenförmiges Wand- lerelement vom 45-45 -Typ, das jedoch auch aus kristallinem Material hergestellt sein kann. Die Erfindung wird zunächst an Hand von Wandlerkörpern erläutert, die aus piezoelektrischen Kristallen herausgeschnitten sind.
In Fig. 1 ist angegeben, wie die Anisotropie- achsen, das heisst die elektrische Achse e, die mecha nische Achse m und die optische Achse o in bezug aufeinander orientiert sind.
Werden aus solchen Kristallen zwei Platten von der mit 1 bezeichneten Form herausgeschnitten, deren Hauptflächen sich senkrecht zur e-Achse erstrecken und deren Seiten flächen parallel zur m- und o-Achse verlaufen (der Winkel a, unter dem diese Schnitte erfolgen, ist indiesen Fällen 0 , und zwar entweder in bezug auf die m-Achse oder in bezug auf die o -Achse), und werden diese Platten zu einen sogenannten sandwich zusammen gesetzt, so spricht ein solcher Körper nur auf Torsion an.
Es ist gleichgültig, ob die Platten in gleichem Sinne, wobei eine Drehung von entweder 90 oder 180 um die e-Achse erlaubt ist, oder in entgegen gesetztem Sinne, das heisst, wobei eine der Platten um die m- oder o-Achse gedreht ist, aufeinander be festigt werden. In beiden Fällen, die in Fig. 2 und 3 dargestellt sind, wird infolge einer im Punkt 3 wirk samen, waagrecht gerichteten Kraft H der Wandler- körper tordiert.
Dies führt in den Platten 1 und 2 entgegengesetzt gerichtete Scherspannungen herbei, die auf Grund des piezoelektrischen Effektes im Ma terial elektrische Ladungsverschiebungen erzeugen, deren Felder in den beiden Platten entgegengesetzt gerichtet sind, wie schematisch in den Figuren an gegeben ist. Ein derartiges Element wird häufig als Parallelelement bezeichnet, weil die Felder in bezug aufeinander parallel gerichtet sind.
In Fig. 2 wird die durch die Deformation im Ele ment erzeugte Spannung den Elektroden 4 und 5 entnommen, wobei die Platten die Elektrode 6 ge meinsam haben. In Fig. 3, in der die Platte 2 um gedreht ist, wird die Spannung den Elektroden 4 und 7 entnommen, während die Elektrode 8 gemein sam ist.
Wenn man zwei. Platten aus der m- o-Ebene herausschneidet, deren Schnittflächen einen Winkel von 45 mit der m- oder o-Achse bilden, wobei somit a = 45 , wie, z. B. in Fig. 1 durch q angege ben ist, und diese zu einem sogenannten sandwich zusammensetzt, ergibt sich ein Element, das nur auf Biegespannungen anspricht.
Dabei macht es jedoch einen Unterschied, wie die Platten aufeinander gelegt werden. Werden sie in gleichem Sinne aufeinandergelegt, so ergibt sich ein Biegeschwinger, der gleichzeitig ein Parallel- element ist.
In. Fig. 4 ist die elektrische Ladungsver schiebung infolge einer durch eine im Punkt 3 an- greifende senkrecht gerichtete Kraft V herbeigeführ- ten Biegespannung schematisch angegeben, wobei die obere Platte 9 gestaucht und die untere Platte 10 gedehnt wird.
Wird jetzt die Platte 10 um die m- oder o-Achse gedreht, so ergibt sich ein Biege schwinger, der gleichzeitig ein Reihenelement ist (Fig. 5). In Fig. 4 wird die infolge der Deformation im Element erzeugte Spannung den Elektroden 11 und 12 entnommen, wobei die Platten die Elektro den 13 gemeinsam haben. In Fig. 5, in der die Platte 10 umgedreht ist, wird die Spannung den Elektroden 11 und 14 entnommen, während die Elektrode 15 gemeinsam ist.
Ein Torsionsparallelschwinger nach Fig. 3 und ein Biegereihenschwinger nach Fig. 5 lassen sich zu einem Wandlerelement kombinieren., das sich für das 45-45 -System eignet. Dies wird an Hand der Fig. 6-11 näher erläutert, in denen ein Wandler- element dargestellt ist, bei dem jeder der beiden Teile des Körpers aus einer Platte 16 oder 17 be steht, die sowohl auf Biegung als auf Torsion an spricht.
Solche Platten sind erzielbar, wenn man den Schnitt im Kristall so durchführt, dass der Winkel .x der Beziehung 0 < a < 45 genügt.
Bekanntlich wird bei Abtastung einer Rille, in die zwei Signale unter 45 mit der flachen Oberfläche geschnitten sind, der Nadelhalter bei der Wiedergabe eines völlig von links kommenden Schalles durch eine Kraft L bewegt, die einen Winkel von 45 mit der Plattenoberfläche bildet. Diese Kraft lässt sich in eine waagrechte und eine senkrechte Komponente zerlgen. Unter der Einwirkung der im Punkt 3 an greifenden waagrechten Komponente H wird der Körper tordiert, so dass die in Fig. 6 schematisch angegebene elektrische Ladungsverschiebung in den Platten 16 und 17 auftritt.
In Fig. 7 ist die elektrische Ladungsverschiebung infolge der senkrechten Kom ponente V, durch die; das Element gebogen wird, schematisch angegeben. In Fig. 8 ist der Zustand dargestellt, der sich ergibt, wenn die beiden Kompo nenten gleichzeitig auftreten, das heisst, wenn die Nadel eine Auslenkung durch ein in der Rille vor handenes Signal L erfährt.
Durch das Vorhanden sein der Aussenelektroden 18 und 19 und einer Innenelektrode 20 addieren sich die Ladungsverschie bungen in der obern Platte, während sie sich in der untern Platte ausgleichen. In. den Fig. 9-11 ist das gleiche Wandlerelement dargestellt, wenn ein von rechts kommendes Signal vom Nadelhalter wieder gegeben wird. Die Kraft R, die auf den Nadelhalter ausgeübt wird, lässt sich wieder in eine senkrechte Komponente V und eine waagrechte Komponente H zerlegen, welch letztere im Vergleich zum vorstehen den Fall (Fig. 6-8) ihr Vorzeichen geändert hat.
Ent sprechend hat auch das elektrische Feld in Fig. 8 sein Vorzeichen geändert, während dieses in Fig. 10 unverändert ist. Das resultierende elektrische Feld infolge der Kraft R ist in Fig. 11 schematisch an gegeben. Es stellt sich heraus, dass in der obern Platte 16 die gesonderten Felder einander entgegen wirken, während sie sich in der untern Platte 17 ver stärken. Auf diese Weise ergibt sich ein Element, das einen Körper enthält, der in zwei Teile (16 und 17) teilbar ist, die je auf eine der beiden einen Winkel von 45' mit der Plattenoberfläche bildenden Schwin gungsrichtungen ansprechen.
Wie ersichtlich, spricht jeder dieser Teile nicht nur auf Torsion, sondern auch auf Biegung an, während die Teile sich hin sichtlich ihrer piezoelektrischen Eigenschaften so voneinander unterscheiden, dass beim Schneiden oder Abtasten in einer Schwingungsrichtung unter 45 die jeder dieser Deformationen entsprechenden Si gnalfelder im einen Teil gleichgerichtet und im an dern Teil entgegengesetzt gerichtet sind. Diese An forderung wird von der vorstehend erwähnten Kom bination eines Torsionsparallelschwingers und eines Biegereihenschwingers erfüllt, wobei die Platten z. B. beide aus dem ersten Quadranten herausgeschnitten sind.
Umgekehrt lässt sich der beabsichtigte Effekt auch mittels einer Kombination eines Torsionsreihen- schwingers und eines Biegeparallelschwingers er reichen, z. B. dadurch, dass eine Platte aus dem ersten Quadranten und eine Platte aus dem vierten Quadranten miteinander kombiniert werden.
In Fig. 12 ist das Wandlerelement, das in den Fig. 6-11 dargestellt ist, in eine Vorrichtung zum Wiedergeben einer rillenförmigen Aufzeichnungsspur aufgenommen, in der gleichzeitig zwei senkrecht auf einander stehende Schwingungen aufgezeichnet sind. Das aus den Platten 16 und 17 bestehende Wandler- element ist an einer Seite in den Block 22 einge klemmt, etwa in der Mitte durch einen Streifen 23 abgestützt und über einen nachgiebigen Körper 20 mit einem Nadelhalter 18 verbunden. Der nach giebige Körper dient zur Übertragung der Kraft, die durch die Modulation der Rille auf die Nadel 19 aus geübt wird.
Der Nadelhalter ist bei 21 gelagert und berührt in dem in den vorstehenden Figuren (2-11) bereits erwähnten Punkt 3 den nachgiebigen Körper 20.
Eine Wandlervorrichtung, die sich auch für das 45 -45 -System eignet, ist in Fig. 13 dargestellt. Sie besteht aus einer Kombination eines Torsionsparallel- schwingers nach den Fig. 2 und 3 und eines Biege reihenschwingers nach Fig. 5, die mit Hilfe eines Kittes 24, 28 aneinander befestigt sind, während die Aussenelektroden 25 und 26 und die Innenelektrode 27 gemeinsam sind. Dadurch, dass hier die beiden auf Biegung und Torsion ansprechenden Teile des Körpers je aus zwei gesonderten Platten 1, 9 bzw.
2, 10 bestehen, ist die Orientierung der untern Torsinnsplatte 2 in bezug auf die obere Torsions- platte 1 nicht mehr wichtig, so dass die Bezeichnung der Flächen ccdd bei den Platten 1 und 2 fort gelassen ist, aber für die Biegeplatten 9 und 10 ist diese Bezeichnung noch immer wichtig.
In den Figuren sind auch die Anschlussklemmen für das linke Signal L und das rechte Signal R an gegeben. Bei Abtastung wird das linke Signal zwi schen Klemmen 29 und 30 und das rechte Signal zwischen Klemmen 30 und 31 entnommen. Anstelle der gemeinsamen Innenelektrode 27 können zwei. ge trennte Innenelektroden, die die Platten 1 und 9 bzw. die Platten 2 und 10 bedecken, Verwendung finden. Im Zusammenhang mit vorstehendem kann auch hier eine Kombination eines Torsionsreihenschwingers und eines Biegeparallelschwingers gewählt werden.
Wenn jetzt die Hauptflächen dieser vier Platten je mit einem eignen Elektrodenpaar versehen werden, während die Elektroden richtig angeschlossen werden, so ist die Weise, in der die Torsions- und Biege platten in bezug aufeinander orientiert sind, mithin die Frage, ob die ddbb-Ebene der obern Platte an die ccaa-Ebene oder an die ddbb-Ebene der untern Platte grenzen muss, völlig gleichgültig geworden. Dann kann weiter die in Fig. 13 dargestellte Anord nung der vier Platten in bezug aufeinander geändert werden, indem z.
B. die untern Platten oder die obern Platten oder die einander diagonal gegenüberliegen den Platten ihre Stellung ändern. Die Verbindung der Elektroden miteinander muss stets derart sein, dass eine Kombination einer Torsions- und einer Biegeplatte einen der beiden Teile des Körpers dar stellt, der auf eine der beiden Schwingungsrichtungen anspricht.
Nachstehend werden einige dieser Kombinationen näher erläutert, und zwar für diejenigen Ausführungs beispiele, die unter Verwendung von Schaltmitteln der besprochenen Art sich nicht nur für das 45 -45 -System, sondern auch für das 0 --90 -Sy- stem eignen.
Mit Rücksicht auf die Tatsache, dass für das 0 -90 -System eine Kombination einer Tor sions- und einer Biegeplatte erforderlich ist, die, wenn eine Vorrichtung nach Fig. 12 Verwendung findet, in senkrechtem Sinne in bezug aufeinander verschoben sind, eignen die erwähnten Kombinatio nen, die sich von Fig. 13 ableiten lassen, sich sämt lich für ein universelles Schallplattenschneid- oder Tonaufnahmegerät.
Die Fig. 14, 15 und 16 zeigen drei dieser Mög lichkeiten, bei denen für die Zufuhr bzw. Abnähme des L- oder R-Signals beider Systeme die gleichen Klemmen Verwendung finden. In Fig. 14 sind die Biegeplatten 9 und 10 noch als ein Reihenschwinger angegeben; diese Anordnung ist in den Fig. 15 und 16 weggefallen.
In Pig. 14 spricht der aus den Platten 1 und 9 bestehende Teil auf ein unter 45 geschnit tenes L-Signal und der aus' den Platten 2 und 10 bestehende Teil auf ein unter 45 geschnittenes R- Signal an. Der Schalter 33 ist dabei in der ausgezo gen gezeichneten Lage. Jetzt sind die Elektroden 34 und 11 des einen Teils und die Elektroden 5 und 14 des andern Teils miteinander verbunden. Die Innen elektrode 27 haben die beiden Teile gemeinsam.
In der gestrichelten Lage des Schalters 33 eignet sich das Wandlerelement für das 0 -90 -System. Das von einer waagrechten Auslenkung der Nadel her rührende linke Signal L wird der Torsionsplatte 1, das einer senkrechten Auslenkung entsprechende rechte Signal R der Biegeplatte 10 entnommen.
Fig. 15 unterscheidet sich von Fig. 14 in dem Sinne, dass die Biegeplatten 9 und 10 nicht als Reihenschwinger angeordnet sind. Zwar wird der eine Teil des Wandlerkörpers von den Platten 1 und 9 gebildet, was aus der Tatsache hervorgeht, dass sie die Elektrode 35 gemeinsam haben und in der aus gezogenen Lage des Schalters 33 auch die Elektro den 4 und 11, aber in diesem Falle ist in bezug auf den andern Teil des Wandlerkörpers die Elektrode 5 mit der Elektrode 14 und die Elektrode 35 mit der Elektrode 12 unmittelbar verbunden.
Fig. 16 zeigt einen Wandlerkörper, bei dem im Vergleich zum Körper nach Fig. 15 die Platten 2 und 9 ihre Stellen gewechselt haben. In diesem Falle besteht der eine Teil des Körpers aus den Platten 1. und 10, was wiederum aus der Tatsache hervorgeht, dass in der ausgezogenen Lage des Schalters 33 die Elektroden 4 und 12 unmittelbar miteinander ver bunden sind, während die Platten die Elektrode 37 gemeinsam haben. Bei den Platten 2 und 9 des an dern Teils sind die Elektroden 39 und 11 einerseits und die Elektroden 38 und 37 anderseits unmittel bar miteinander verbunden.
Fig. 17 stellt einen Wandlerkörper dar, der drei Kristallplatten enthält und sich gleichfalls sowohl für das 45 -4.5 - als auch für das 0 -90 -System eignet. Es unterscheidet sich vom Wandlerkörper nach Fig. 16 nur dadurch, dass die beiden Biegeplatten 9 und 10, durch eine einzige Biegeplatte 41 ersetzt sind, die jedoch mit zwei Elektrodenpaaren versehen ist.
Das gleiche hätte man auch mit den beiden Torsions- platten anstelle der Biegeplatten machen können, während es auch möglich ist, den Wandlerkörper aus der Kombination einer einzigen Torsionsplatte und einer einzigen Biegeplatte herzustellen, was bedeuten würde, dass in der Figur die Trennwand 24 ver schwindet.
In Fig. 18 ist ein Fall dargestellt, in dem das Wandlerelement aus zwei hohlen plattenförmigen Kristallen 45 und 46 besteht, die durch ein Klebe mittel 4.4 miteinander verbunden sind, und von denen der eine auf Torsion und der andere auf Biegung anspricht. Durch passende Verbindung der auf den Aussen- und Innenflächen dieser Kristalle angebrach ten Elektroden ergibt sich ein Element, das wiederum für beide Systeme brauchbar ist.
Zu diesem Zweck ist der Hohlkristall 45 aussen mit Elektroden 47 und 4$ und innen mit einer Elektrode 49 und der Hohl kristall 46 aussen mit Elektroden 51 und 52 und innen mit zwei getrennten Elektroden 43 und 53 versehen, welch letztere mit der Elektrode 49 ver bänden ist. Bei Anwendung des 0 -90 -Systems (Schalter 33 in der gestrichelten Lage) wird während der Wiedergabe das L-Signal zwischen den Elektro den 47 und 49 und das R-Signal zwischen den Elek troden 49 (52) und 43 entnommen.
Bei Anwendung des 45 -45 -Systems (Schalter 33 in der ausgezo genen Lage) werden die Elektroden 47 und 51 einer seits und die Elektroden 43 und 48 anderseits unmit telbar miteinander verbunden.
Es werden jetzt einige Ausführungsformen von Wandlerelementen nach der Erfindung unter Ver wendung keramischem, piezoelektrischem Materials erörtert, wobei ihre Wirkung zunächst an Hand der Fig. 19-22 erläutert wird. Die Fig. 19 und 20 zei gen einen Wandlerkörper, der nur auf Torsion an spricht und den bereits erläuterten Fig. 2 und 3 ent spricht.
Der Körper besteht aus zwei Platten 55 und 56, die in einer Richtung senkrecht zu einer der Sei tenflächen vorpolarisiert sind, was durch das Symbol P angegeben ist. Wie immer die untere Platte in bezug auf die obere Platte orientiert sein mag, in sämtlichen Fällen ergibt sich ein Torsionsschwinger, der auch ein Parallelelement ist (siehe die in den Figuren schematisch angegebenen Ladungsverschie bungen, die infolge einer im Punkt 3 angreifenden waagrechten Kraft H auftreten). Nur wenn die untere Platte um eine zur Zeichenebene senkrechte Achse gedreht wird, ergibt sich ein Torsionsschwinger, der zugleich ein Reihenelement ist. Dieser Fall ist je doch nicht dargestellt.
Die Spannung wird in. Fig. 19 den Elektroden 57 und 58 entnommen oder an sie angelegt, wobei die Innenelektrode 54 gemeinsam ist, während in Fig. 20 die Spannung den Aussen elektroden 57 und 59 entnommen bzw. an sie ange legt wird, wobei die Innenelektrode 60 gemeinsam ist. Die Fig. 21 und 22, die eine Ähnlichkeit mit den Fig. 4 und 5 zeigen, stellen einen Wandlerkörper vom Biegetyp dar.
Der Körper besteht aus zwei Platten 64 und 65, die in einer zu den Hauptflächen senkrechten Richtung vorpolarisiert sind, was durch P, den Vektor der remanenten Polarisation, ange geben ist. Die Orientierung der beiden Platten 64 und 65 in Fig. 21 ist derartig, dass sich ein Biege schwinger ergibt, der gleichzeitig ein Parallelelement ist, während in Fig. 22 die Orientierung derartig ist, dass der Biegeschwinger auch ein Reihenelement ist (man vergleiche die schematisch angegebenen La dungsverschiebungen, die infolge einer im -Punkt 3 angreifenden senkrechten Kraft V auftreten).
Die Spannung wird in Fig. 21 den Aussenelektroden 62 und 63 entnommen bzw. an sie angelegt, wobei die Innenelektrode 61 gemeinsam ist; in Fig. - 22 wird die Spannung den Aussenelektroden 62 und 66 ent nommen bzw. an sie angelegt, während die Innen elektrode 67 gemeinsam ist.
Ebenso, wie an Hand der Fig. 6-11 für Kristall platten nachgewiesen wurde, lassen sich auch aus keramischem Material Platten herstellen, von denen jede nicht nur auf Biegung, sondern auch auf Tor sion anspricht, und die, wenn sie mit einer gemein- Samen Innenelektrode 72 versehen sind, sich ohne weiteres für das 45 -45 -System eignen. Dieser Fall ist in Fig. 23 dargestellt und kann als eine Kombina tion des Torsionsparallelschwingers nach Fig. 20 und des Biegeschwingers nach Fig. 22 betrachtet werden.
Die Platten 68 und 69, die je aussen mit einer Elek trode 70 bzw. 71 überzogen sind, sind zu diesem Zweck in einem elektrostatischen Feld hoher Feld stärke vorpolarisiert, deren Feldlinien in einer Ebene liegen, die schräg in bezug auf die Hauptflächen der Platten gerichtet ist und sie gemäss einer zu einer der Seitenflächen parallelen Linie schneidet. Dies kann dadurch erfolgen, dass das vorzupolarisierende Material unter diesem Winkel zwischen zwei Platten angeordnet wird, zwischen denen das elektrostatische Feld angelegt wird, oder dadurch, dass die einander gegenüberliegenden Seitenflächen der Platte (zeit weilig) mit Elektroden versehen werden, die einan der diagonal gegenüberliegen.
Wenn man den Wandlerkörper jedoch aus je nur auf Biegung oder nur auf Torsion ansprechenden Platten aufbaut und dann Kombinationen vom Sandwich Typ herstellt, die mindestens eine auf Torsion ansprechende und eine auf Biegung an sprechende Platte enthalten, und weiter die Haupt flächen jeder Platte mit einer gesonderten Elektrode versieht, wobei, wenn die Kombination nur aus einer Biegeplatte und einer Torsionsplatte besteht, jede Hauptfläche mit zwei Elektroden versehen wer den muss, so lässt sich durch angemessene Verbin dung dieser Elektroden miteinander ein Wandler- körper erhalten,
der sich nicht nur für das 45 -4.5 - System eignet, weil in ihm zwei Teile nachweisbar sind, die je für sich auf Biegung und auf Torsion ansprechen, sondern auch für das 0 -90 -System.
Die Fig. 24-27 zergen einige der vielen Möglich keiten. In den Fig. 24 und 25 besteht der Körper aus, vier Platten, von denen die Platten 55 und 56 auf Torsion und die Platten 64 und 65 auf Biegung ansprechen, wobei die Innenelektrode 73 gemeinsam ist. In Fig. 25 haben die beiden Torsionsplatten 55 und 56 und die Biegungsplatte 64 die Innenelektrode 74 gemeinsam, während die Biegeplatte 65 eine ge sonderte Innenelektrode 75 besitzt und ihre Aussen elektrode 63 mit der Innenelektrode 74 verbunden ist.
Ein Vertauschen der vier Platten 55, 56, 64 und 65 miteinander ist immer möglich, während auch eine Torsions- und/oder eine Biegeplatte fort gelassen werden kann, mit der Massgabe, dass der Rest an sich wieder einen Wandlerkörper vom Sandwich Typ bildet. Eine andere Beschränkung dieses Fortlassens liegt darin, dass, wenn z. B. eine Torsionsplatte wegfällt, bei der übrigbleibenden Torsionsplatte auf jeder Hauptfläche zwei getrennte Elektroden angebracht werden müssen.
Eine der unterschiedlichen Möglichkeiten ist im ersten Teil der Figurenbeschreibung in bezug auf Kristallelemente bereits in Fig. 17 angegeben.
Fig. 26 stellt ein Wandlerelement dar, das sich wiederum zur Verwendung als universelles Wandler- element eignet, wobei das Wandlerelement aus zwei Hohlkörpern 77 und 78 besteht, die durch ein Klebe mittel 79 miteinander verbunden sind. Der Körper 77 spricht auf Torsion, der Körper 78 auf Biegung an, wie durch die Vektoren P symbolisch angegeben ist, wobei in jedem. dieser Körper die Polarisation in entgegengesetzten Richtungen erfolgt ist.
Aussen sind die Körper 77 mit Elektroden 80 und 81 bzw. 82 und 83 und innen mit Elektroden 84 bzw. 85 überzogen, welche zwei letztere unmittel bar miteinander verbunden sind. Es ist leicht ersicht lich, dass auf Grund der angebrachten Bedrahtung der ganze Wandlerkörper in zwei Teile geteilt ist, von denen einer das Material zwischen den Elek troden 80 und 84 und zwischen den Elektroden 82 und 85 enthält, während der andere das Material zwischen den Elektroden 81 und 84 und zwischen den Elektroden 83 und 85 enthält. Die Teile spre chen somit je sowohl auf Biegung als auch auf Torsion an.
Fig. 27 zeigt ein universelles Wandlerelement, das aus der Kombination von zwei zu einem sand wach vereinigten massiven Platten 55 und 56 einer seits und einem Körper 87 anderseits besteht, die mit einem Haftmittel 88 aneinander befestigt sind. Der Körper 87 enthält drei Hohlräume 89, die je mit einer Elektrode 90 bekleidet sind, und alle drei Elektroden sind unmittelbar mit der Elektrode 60 verbunden. Aussen ist der Körper 87 weiter mit Elektroden 91 und 92 versehen.
Fig. 28 zeigt ein hohles Wandlerelement für das 45 -45 -System, das aus zwei Teilen 95 und 96 be steht, die je sowohl auf Biegung als auch auf Torsion ansprechen und durch ein Haftmittel 97 miteinander verbunden sind. Beide Teile sind mit Elektroden 93, 94 bzw. 98, 99 versehen, wobei die Elektroden 94 und 98 unmittelbar miteinander verbunden sind. Die erwähnten Teile können aus keramischem oder kri stallinem Material hergestellt sein, während es gleich falls möglich ist, dass ein Teil aus keramischem und der andere aus kristallinem Material besteht.
Die erwähnten Beispiele stellen nur eine Aus wahl aus den zahllosen Möglichkeiten dar, auf die das Prinzip der Erfindung anwendbar ist, und zu denen auch die unterschiedlichen Kombinationen zu rechnen sind, die aus diesen Beispielen gebildet wer den können.
Piezoelectric transducer element The invention relates to a piezoelectric transducer element which contains a plate-shaped body, optionally provided with one or more cavities, which is made of material with piezoelectric properties.
For a device for recording or scanning a groove-shaped recording track, in which two mutually perpendicular vibrations are or have been recorded simultaneously, with the aid of a common recording or scanning element, which body consists of two parts, each of which relates exclusively to one of the two Address the vibration directions.
A device with such a transducer element is known from German Auslegeschrift no. 1067 232. The two parts into which the transducer body can be divided each consist of a crystal plate. The structure of the device is such that the transducer element is arranged horizontally and clamped on one side, while at the other end a flexible body is attached, which connects the element to the needle holder. The axis of the needle holder is also directed approximately horizontally.
This results in a symmetrical arrangement of the so-called 0-90 system, that is, the two directions of vibration are or are horizontally or vertically cut in the groove-shaped track. When the track is scanned, a plate of the is sandwiched by a horizontal deflection trained transducer element is only subjected to torsion, for which movement the other plate is insensitive, while the latter is subjected to bending due to a vertical deflection of the needle,
to which the first plate is insensitive. If one wants to create a transducer element for a recording or scanning device which is suitable for the use of the so-called 45-45 system, one could start from the known element for this purpose by placing it at an angle of 45 to the horizontal Level is arranged, but this would have the disadvantage that it is then no longer a symmetrical arrangement.
Furthermore, while maintaining the symmetrical arrangement, the signals could be shifted in phase by 45 with the aid of a simple network such that the two directions of vibration are recorded at 45 'in the groove-shaped track. However, the resistors, etc., from which this network is constructed, introduce an undesirable voltage loss and constitute an unnecessary complication.
The intended purpose 'is achievable in a simpler and more expedient manner according to the invention in that each of the two parts of the body responds to both bending and torsion, while the parts differ from one another in their piezoelectric properties in such a way that when recording or scanning a track component with a: direction of vibration under 451 to the drawing plane, the deformations of this track component corresponding electrical signal fields in a part of said body are rectified.
In this way, a horizontal arrangement can be maintained, whereby the symmetry is secured, which of course is also the case with a vertical arrangement of the converter element. As a material that can be used for the production of the transducer element, ceramic material should be mentioned, which has a remanent polarization, for. B. barium or strontium titanates, but especially the lead-zirconium titanates and the natural union, or artificial crystals that have a natural direction of polarization, such as quartz, tourmaline or Seignette salt.
It is known that plate-shaped bodies of various shapes can be produced from these materials. Here, not only the simple flat plates glued together to deliver a transducer element of the so-called sandwich type, but also more intricate shapes, such as bodies with one cavity, with multiple cavities or with a complicated channel system. The choice in all these cases depends on the mechanical or physical requirements placed on the element,
and the tools and skills available.
In principle, any combination of two of the above-mentioned designs can be chosen to implement the idea of the invention, although, with regard to symmetry, consideration should be given to using two identical bodies, e.g. B. two bodies of the so-called sandwich type, which are arranged next to each other, whereby the transducer element so obtained has the preferred features that each of the parts of the transducer body consists of two plates that adjoin each other with the side surfaces, one plate responds only to bending and the other only to torsion,
while the parts are separated from each other by two mutually connected electrodes.
In one embodiment of the transducer element according to the invention, in which two sandwiches are also arranged side by side, each of the parts of the transducer body consists of two plates which are arranged in relation to one another in the manner of two diagonals and of which two electrodes are connected to one another, one being Plate only responds to bending and the other only to torsion.
In the cases mentioned, a torsion and / or bending plate can advantageously be omitted, with the proviso that the remaining part of the transducer body is again of the sandwich type, while that of the two torsion or. Bending plates, which remain after such a plate has been omitted, are not provided with one pair of electrodes but with two pairs of electrodes.
If both a torsion plate and a bending plate are no longer available, one has to. Converter element according to the invention, in which the converter body in particular consists of two plates, the main surfaces of which adjoin one another, one plate only responding to bending and the other plate only responding to torsion. The preferred feature is that the main surfaces each have two in the longitudinal direction of the plate-extending electrodes are covered,
wherein an electrode of the torsion-responsive plate is directly connected to an electrode of the flexure-responsive plate. In all of these cases an element results which, with the usual electrodes of each part connected together, is suitable for the 45-45 system.
If these connections are broken, the element is suitable for the 0-90 system. Therefore, switching means can be provided through which, in one position of a switch, the electrodes are connected to one another. In relation to the interconnected electrodes of a part responding to both deformations are connected to one another, while in the other Position of the switch this connection is interrupted.
Although with a combination of e.g. B. two sandwiches next to each other is not always the disadvantage that too much space is used, but it can still happen that you do not want to use the option of a universal transducer element. In these cases the invention enables a solution which is only suitable for the 45-45 system and which results in a compact construction in that each part of the transducer body preferably consists of a single plate which is both bending and torsion sensitive.
In a special embodiment in which the plates are cut out of the crystals in such a way that the main surfaces of the plates run perpendicular to the electrical axis, the side surfaces of the plates form an angle a (where 0 <a <45), preferably an angle of 22, 5 with the mechanical or optical axis.
As is well known, a plate that is cut out so that the angle a = 0 responds only to torsion, while a plate in which the angle a = 45 'responds only to bending. The fact that the cut is carried out in such a way that the angle a satisfies the relationship <I> 0 <a <45 </I> results in a plate that responds to both bending and torsion.
Although it is for certain applications, e.g. B. the recording or sampling of two signals, one of which is a monaural and the other is an effect signal, regardless of the angle a at which the two plates are cut, it is desirable, inter alia, for stereophonic purposes to choose the angle a so that the signal fields corresponding to one of the oscillation directions are so opposite that they cancel each other out.
If a = 22i / 2, the crosstalk attenuation between the two stereophonic channels is maximum, i.e. if a stereophonic record is scanned in which the recording corresponds to the 45-45 system, if there is only one modulation in the left groove wall is present, only one of the parts of the transducer element emits a voltage, while the other part is completely de-energized.
In another embodiment of the transducer element suitable for the 45-45 system, the plates of the transducer body are made of ceramic piezoelectric material which is pre-polarized by a field whose field lines lie in a plane which is oblique with respect to the main surfaces of the plates , preferably forms an angle of 45 ° with them and intersects the main surfaces according to a line parallel to one of the side surfaces.
It is known that a body made of ceramic piezoelectric material behaves as a pure flexural oscillator when it is prepolarized in a direction perpendicular to the major surfaces, and responds to pure torsion when prepolarized in the longitudinal direction.
Here, too, it applies that for special uses, including stereo phonic purposes, the angle at which the plate must be polarized before so that it responds equally to bending and torsion, must be about half of the angle mentioned Include polarization directions.
The invention is explained in more detail below with reference to some examples Ausfüh shown in the accompanying drawings.
Fig. 1 shows the orientation of the anisotropy axes in a crystalline material.
FIGS. 2 and 3 show a torsion parallel oscillator.
FIGS. 4 and 5 show a bending parallel or row oscillator.
6-18 show a transducer element according to the invention made of crystalline material. FIGS. 6-12 show a transducer element in the form of a sandwich, which consists of two plates, each of which responds to both bending and torsion so that the element is suitable for the 45-45 'system, while FIGS. 13-16 show different transducer elements formed as a sandwich, which consist of four plates,
in particular the transducer elements shown in FIGS. 14-16 are universal due to the presence of switching means. FIG. 17 also shows a universal transducer element in the form of a sandwich which contains three plates.
18 likewise shows a universal transducer element which contains two hollow bodies arranged next to one another.
19 and 20 show a torsion parallel oscillator made of ceramic material.
FIGS. 21 and 22 show a bending parallel or row oscillator made of ceramic material. 23-28 show a transducer element according to the invention, which is made of ceramic mate rial. Here, FIG. 23 shows a converter element in the form of a sandwich, which consists of two plates, each of which responds not only to bending but also to torsion, so that the element is suitable for the 45-45 system .
FIGS. 24 and 25 represent universal transducer elements in a sandwich configuration, which consist of four plates and are provided with switching means.
FIG. 26 likewise shows a universal transducer element which contains two plate-shaped hollow bodies attached to one another.
27 shows a universal transducer element which consists of the combination of two solid plates in the form of a sandwich on the one hand and a body provided with several cavities on the other.
28 shows a hollow plate-shaped transducer element of the 45-45 type, which, however, can also be made of crystalline material. The invention will first be explained using transducer bodies that are cut out of piezoelectric crystals.
In Fig. 1 it is indicated how the anisotropy axes, that is, the electrical axis e, the mechanical axis m and the optical axis o are oriented with respect to one another.
If two plates of the shape marked 1 are cut out of such crystals, the main surfaces of which extend perpendicular to the e-axis and the side surfaces of which run parallel to the m- and o-axes (the angle a at which these cuts are made is in these cases 0, either in relation to the m-axis or in relation to the o-axis), and if these plates are put together to form a so-called sandwich, then such a body only responds to torsion.
It does not matter whether the plates are rotated in the same sense, with a rotation of either 90 or 180 around the e-axis, or in the opposite sense, i.e. one of the plates is rotated around the m- or o-axis be fastened to each other. In both cases, which are shown in FIGS. 2 and 3, the transducer body is twisted as a result of a horizontally directed force H effective at point 3.
This leads to oppositely directed shear stresses in the plates 1 and 2, which, due to the piezoelectric effect in the material, generate electrical charge shifts, the fields of which are directed in opposite directions in the two plates, as is shown schematically in the figures. Such an element is often referred to as a parallel element because the fields are directed parallel with respect to one another.
In Fig. 2, the voltage generated by the deformation in the Ele ment is taken from the electrodes 4 and 5, the plates having the electrode 6 in common. In Fig. 3, in which the plate 2 is rotated, the voltage is taken from the electrodes 4 and 7, while the electrode 8 is common sam.
If you have two. Plates cut out of the m- o-plane, the cut surfaces of which form an angle of 45 with the m- or o-axis. B. in Fig. 1 by q is indicated, and this is composed into a so-called sandwich, there is an element that only responds to bending stresses.
However, it makes a difference how the plates are placed on top of one another. If they are placed one on top of the other in the same way, a flexural oscillator results which is also a parallel element.
In. 4 shows the electrical charge shift as a result of a bending stress brought about by a vertically directed force V acting at point 3, the upper plate 9 being compressed and the lower plate 10 being stretched.
If the plate 10 is now rotated about the m- or o-axis, the result is a flexural oscillator which is also a row element (FIG. 5). In Fig. 4, the voltage generated in the element due to the deformation is taken from the electrodes 11 and 12, the plates having the electric 13 in common. In Fig. 5, in which the plate 10 is turned over, the voltage is taken from the electrodes 11 and 14 while the electrode 15 is common.
A torsional parallel oscillator according to FIG. 3 and a flexible row oscillator according to FIG. 5 can be combined to form a transducer element which is suitable for the 45-45 system. This is explained in more detail with reference to FIGS. 6-11, in which a transducer element is shown in which each of the two parts of the body consists of a plate 16 or 17, which responds to both bending and torsion.
Such plates can be achieved if the cut is made in the crystal in such a way that the angle .x satisfies the relationship 0 <a <45.
As is known, when scanning a groove in which two signals below 45 are cut with the flat surface, the needle holder is moved by a force L forming an angle of 45 with the disc surface when a sound coming completely from the left is reproduced. This force can be broken down into a horizontal and a vertical component. Under the action of the horizontal component H acting in point 3, the body is twisted, so that the electrical charge shift shown schematically in FIG. 6 occurs in the plates 16 and 17.
In Fig. 7 is the electric charge shift due to the perpendicular Com component V, through which; the element is bent is indicated schematically. In Fig. 8, the state is shown that results when the two compo nents occur simultaneously, that is, when the needle is deflected by a signal L in the groove before existing.
Due to the presence of the outer electrodes 18 and 19 and an inner electrode 20, the charge shifts add up in the upper plate, while they are balanced out in the lower plate. In. FIGS. 9-11 show the same transducer element when a signal coming from the right is given by the needle holder. The force R that is exerted on the needle holder can again be broken down into a vertical component V and a horizontal component H, which the latter has changed in sign compared to the case above (Fig. 6-8).
Accordingly, the electric field in FIG. 8 has also changed its sign, while this is unchanged in FIG. 10. The resulting electric field due to the force R is given schematically in FIG. 11. It turns out that in the upper plate 16, the separate fields counteract each other, while they strengthen ver in the lower plate 17. In this way there is an element which contains a body which can be divided into two parts (16 and 17), each of which responds to one of the two directions of vibration forming an angle of 45 'with the plate surface.
As can be seen, each of these parts responds not only to torsion, but also to bending, while the parts differ from one another in terms of their piezoelectric properties in such a way that when cutting or scanning in an oscillation direction below 45 the signal fields corresponding to each of these deformations in one Partly in the same direction and in the opposite direction in the other part. This requirement is met by the above-mentioned combination of a torsion parallel oscillator and a flexible row oscillator, the plates z. B. are both cut out of the first quadrant.
Conversely, the intended effect can also be achieved by means of a combination of a torsion series oscillator and a parallel flexural oscillator, e.g. B. in that a plate from the first quadrant and a plate from the fourth quadrant are combined.
In FIG. 12, the transducer element shown in FIGS. 6-11 is incorporated into an apparatus for reproducing a groove-shaped recording track in which two mutually perpendicular vibrations are recorded simultaneously. The transducer element consisting of the plates 16 and 17 is clamped into the block 22 on one side, supported approximately in the middle by a strip 23 and connected to a needle holder 18 via a flexible body 20. The flexible body is used to transmit the force that is exerted on the needle 19 from the modulation of the groove.
The needle holder is mounted at 21 and touches the flexible body 20 at point 3 already mentioned in the preceding Figures (2-11).
A converter device which is also suitable for the 45-45 system is shown in FIG. It consists of a combination of a torsion parallel oscillator according to FIGS. 2 and 3 and a flexural linear oscillator according to FIG. 5, which are fastened to one another with the aid of a cement 24, 28, while the outer electrodes 25 and 26 and the inner electrode 27 are common. The fact that here the two parts of the body responding to bending and torsion each consist of two separate plates 1, 9 or
2, 10 exist, the orientation of the lower torsion plate 2 in relation to the upper torsion plate 1 is no longer important, so that the designation of the areas ccdd is omitted for the plates 1 and 2, but is for the bending plates 9 and 10 this designation is still important.
In the figures, the connection terminals for the left signal L and the right signal R are also given. When scanning, the left signal between terminals 29 and 30 and the right signal between terminals 30 and 31 is taken. Instead of the common internal electrode 27, two. ge separated internal electrodes that cover the plates 1 and 9 or the plates 2 and 10, use. In connection with the above, a combination of a torsional row oscillator and a parallel flexural oscillator can also be selected here.
If now the main surfaces of these four plates are each provided with their own pair of electrodes while the electrodes are properly connected, then the way in which the torsion and bending plates are oriented in relation to one another is the question of whether the ddbb plane the upper plate must border on the ccaa level or on the ddbb level of the lower plate, has become completely indifferent. Then the arrangement shown in Fig. 13 of the four plates can be changed with respect to each other by, for.
B. the lower plates or the upper plates or diagonally opposite the plates change their position. The connection of the electrodes to one another must always be such that a combination of a torsion and a bending plate represents one of the two parts of the body that responds to one of the two directions of vibration.
Some of these combinations are explained in more detail below, specifically for those execution examples which, using switching means of the type discussed, are not only suitable for the 45-45 system, but also for the 0-90 system.
In view of the fact that a combination of a torus sion and a bending plate is required for the 0 -90 system, which, when a device according to FIG. 12 is used, are displaced in a perpendicular sense with respect to one another, the mentioned are suitable Combination NEN, which can be derived from Fig. 13, all Lich for a universal record cutting or sound recording device.
14, 15 and 16 show three of these possibilites in which the same terminals are used for the supply or removal of the L or R signal of both systems. In FIG. 14 the bending plates 9 and 10 are also indicated as a series oscillator; this arrangement has been omitted in FIGS. 15 and 16.
In Pig. 14 responds to the part consisting of plates 1 and 9 to an L signal cut under 45 and the part consisting of plates 2 and 10 to an R signal cut under 45. The switch 33 is in the drawn out position. The electrodes 34 and 11 of one part and the electrodes 5 and 14 of the other part are now connected to one another. The inner electrode 27 have the two parts in common.
In the dashed position of the switch 33, the converter element is suitable for the 0 -90 system. The left signal L resulting from a horizontal deflection of the needle is taken from the torsion plate 1, the right signal R corresponding to a vertical deflection is taken from the bending plate 10.
FIG. 15 differs from FIG. 14 in the sense that the bending plates 9 and 10 are not arranged as a row oscillator. One part of the transducer body is formed by the plates 1 and 9, which is evident from the fact that they have the electrode 35 in common and, in the extended position of the switch 33, also the electrodes 4 and 11, but in this case With respect to the other part of the transducer body, the electrode 5 is directly connected to the electrode 14 and the electrode 35 to the electrode 12.
16 shows a transducer body in which, compared to the body according to FIG. 15, the plates 2 and 9 have changed places. In this case, one part of the body consists of plates 1 and 10, which in turn emerges from the fact that in the extended position of switch 33, electrodes 4 and 12 are directly connected to one another, while the plates share electrode 37 to have. In the plates 2 and 9 of the other part, the electrodes 39 and 11 on the one hand and the electrodes 38 and 37 on the other hand are directly connected to one another.
FIG. 17 shows a transducer body which contains three crystal plates and is likewise suitable for both the 45 -4.5 and the 0 -90 system. It differs from the transducer body according to FIG. 16 only in that the two bending plates 9 and 10 are replaced by a single bending plate 41 which, however, is provided with two pairs of electrodes.
The same could have been done with the two torsion plates instead of the bending plates, while it is also possible to produce the transducer body from the combination of a single torsion plate and a single bending plate, which would mean that the partition 24 disappears in the figure .
In Fig. 18 a case is shown in which the transducer element consists of two hollow plate-shaped crystals 45 and 46 which are connected to one another by an adhesive means 4.4, and of which one is responsive to torsion and the other to bending. A suitable connection of the electrodes attached to the outer and inner surfaces of these crystals results in an element which in turn can be used for both systems.
For this purpose, the hollow crystal 45 is provided on the outside with electrodes 47 and 4 $ and on the inside with an electrode 49 and the hollow crystal 46 on the outside with electrodes 51 and 52 and on the inside with two separate electrodes 43 and 53, the latter being connected to the electrode 49 is. When using the 0 -90 system (switch 33 in the dashed position), the L signal between the electrodes 47 and 49 and the R signal between the electrodes 49 (52) and 43 is removed during playback.
When using the 45 -45 system (switch 33 in the extended position) the electrodes 47 and 51 on the one hand and the electrodes 43 and 48 on the other hand are directly connected to one another.
Some embodiments of transducer elements according to the invention will now be discussed using ceramic, piezoelectric material, their effect being explained first with reference to FIGS. 19-22. 19 and 20 show a transducer body that only responds to torsion and corresponds to the already explained FIGS. 2 and 3 ent.
The body consists of two plates 55 and 56 which are pre-polarized in a direction perpendicular to one of the side surfaces, which is indicated by the symbol P. Whatever the orientation of the lower plate in relation to the upper plate, in all cases a torsional oscillator results, which is also a parallel element (see the charge displacements shown schematically in the figures, which occur as a result of a horizontal force H acting in point 3 ). Only when the lower plate is rotated about an axis perpendicular to the plane of the drawing does a torsional oscillator result, which is also a row element. However, this case is not shown.
The voltage is taken from the electrodes 57 and 58 in FIG. 19 or applied to them, the inner electrode 54 being common, while in FIG. 20 the voltage is taken from the outer electrodes 57 and 59 or is applied to them, the Inner electrode 60 is common. Figs. 21 and 22, which show a similarity to Figs. 4 and 5, illustrate a bending type transducer body.
The body consists of two plates 64 and 65, which are prepolarized in a direction perpendicular to the main surfaces, which is given by P, the vector of remanent polarization. The orientation of the two plates 64 and 65 in Fig. 21 is such that a flexural oscillator results which is at the same time a parallel element, while in Fig. 22 the orientation is such that the flexural oscillator is also a row element (compare the schematic specified shifts in charge that occur as a result of a vertical force V acting at point 3).
In FIG. 21, the voltage is taken from the external electrodes 62 and 63 or applied to them, the internal electrode 61 being common; In Fig. - 22, the voltage is taken from the outer electrodes 62 and 66 or applied to them, while the inner electrode 67 is common.
As has been demonstrated for crystal plates with reference to Figs. 6-11, plates can also be produced from ceramic material, each of which responds not only to bending, but also to torsion, and which, when combined with a common Seed inner electrode 72 are provided, are readily suitable for the 45-45 system. This case is shown in FIG. 23 and can be viewed as a combination of the torsional parallel oscillator according to FIG. 20 and the flexural oscillator according to FIG.
The plates 68 and 69, which are each coated on the outside with an elec trode 70 and 71, are prepolarized for this purpose in an electrostatic field of high field strength, the field lines of which lie in a plane which is directed obliquely with respect to the main surfaces of the plates and it intersects according to a line parallel to one of the side surfaces. This can be done in that the material to be pre-polarized is arranged at this angle between two plates, between which the electrostatic field is applied, or in that the opposing side surfaces of the plate are (temporarily) provided with electrodes that are diagonally opposite one another .
However, if you build the transducer body from plates that respond only to bending or only to torsion and then produce combinations of the sandwich type that contain at least one plate that responds to torsion and one plate that responds to bending, and further the main surfaces of each plate with a separate one If the combination only consists of a bending plate and a torsion plate, each main surface has to be provided with two electrodes, a transducer body can be obtained by appropriately connecting these electrodes to one another.
which is not only suitable for the 45 -4.5 system, because two parts can be detected in it, each of which responds to bending and torsion, but also for the 0 -90 system.
Figs. 24-27 summarize some of the many possibilities. In Figs. 24 and 25, the body consists of four plates, of which plates 55 and 56 are responsive to torsion and plates 64 and 65 are responsive to bending, the internal electrode 73 being common. In Fig. 25, the two torsion plates 55 and 56 and the bending plate 64 have the inner electrode 74 in common, while the bending plate 65 has a separate inner electrode 75 and its outer electrode 63 is connected to the inner electrode 74.
Interchanging the four plates 55, 56, 64 and 65 with one another is always possible, while a torsion and / or bending plate can also be left out, with the proviso that the rest itself again forms a transducer body of the sandwich type. Another limitation of this omission is that if e.g. B. a torsion plate is omitted, with the remaining torsion plate on each main surface two separate electrodes must be attached.
One of the different possibilities is already indicated in the first part of the description of the figures in relation to crystal elements in FIG.
26 shows a transducer element which is again suitable for use as a universal transducer element, the transducer element consisting of two hollow bodies 77 and 78 which are connected to one another by an adhesive 79. The body 77 responds to torsion, the body 78 to bending, as symbolically indicated by the vectors P, in each of which. this body's polarization is done in opposite directions.
On the outside, the bodies 77 are coated with electrodes 80 and 81 or 82 and 83 and on the inside with electrodes 84 and 85, which two latter are directly connected to one another. It is easy to see that because of the wiring attached, the entire transducer body is divided into two parts, one of which contains the material between electrodes 80 and 84 and between electrodes 82 and 85, while the other contains the material between the electrodes 81 and 84 and between electrodes 83 and 85. The parts therefore respond to both bending and torsion.
27 shows a universal transducer element, which consists of the combination of two solid plates 55 and 56 united to form a sand-awake plate on the one hand and a body 87 on the other, which are fastened to one another with an adhesive 88. The body 87 contains three cavities 89, each lined with an electrode 90, and all three electrodes are directly connected to the electrode 60. On the outside, the body 87 is further provided with electrodes 91 and 92.
Fig. 28 shows a hollow transducer element for the 45-45 system, which consists of two parts 95 and 96 be, which respond to both bending and torsion and are connected to one another by an adhesive 97. Both parts are provided with electrodes 93, 94 or 98, 99, the electrodes 94 and 98 being directly connected to one another. The parts mentioned can be made of ceramic or crystalline material, while it is equally possible that one part consists of ceramic and the other of crystalline material.
The examples mentioned represent only a selection from the countless possibilities to which the principle of the invention can be applied, and which also include the different combinations that can be formed from these examples.