DE1092957B

DE1092957B - Magnetic coupling for piezoelectric transducer systems

Info

Publication number: DE1092957B
Application number: DESCH26608A
Authority: DE
Inventors: Lothar Sengewitz; Friedrich Schumann
Original assignee: F & H Schumann GmbH
Current assignee: F & H Schumann GmbH
Priority date: 1959-08-28
Filing date: 1959-08-28
Publication date: 1960-11-17

Description

In piezoelektrischen Wandlersystemen sind die piezoelektrischen Elemente mit dem Antriebsglied, Membran oder Abtastnadel, üblicherweise auf mechanische Art verbunden. Die Verbindung von Antriebsglied und Element kann zwar direkt erfolgen, meist ist aber ein Kupplungsglied zwischengeschaltet, das in Werkstoff und Formgestaltung der Art de? Wandlersystems und seinem besonderen Verwendungszweck entspricht. Für manche Anwendungszwecke kann es jedoch von Vorteil sein, die mechanische feste Verbindung zwischen Antriebsglied und Wandlerelement durch eine Kupplung nicht mechanischer Wirkungsweise, z. B. durch eine magnetische Kupplung, zu ersetzen. Ein solcher Fall ist bei stereofoni sehen Tonabnehmern gegeben, die bekanntlich die von zwei Schallaufzeichnungen hervorgerufenen Schwingungen der Abtastnadel gleichzeitig auf zwei piezoelektrische Elemente derart übertragen sollen, daß diese Elemente ausschließlich durch die ihnen zugeordneten Informationen erregt werden. Hier fallen dem Kupplungsglied im Grunde genommen zwei gegensätzliche Aufgaben zu, weil einerseits die Übertragung der mechanischen Schwingungen möglichst verlustfrei erfolgen soll, aber andererseits die Elemente weitgehend voneinander entkoppelt sein müssen, um eine gute Übersprechdämpfung zu gewährleisten. Bei einer mechanischen Verkupplung der Elemente mit der Abtastnadel ist es relativ schwierig, diese gegensätzlichen Forderungen zu erfüllen, und läuft jede Konstruktion letztlich auf einen Kompromiß hinaus, dahingehend, daß entweder die Spannungsabgabe des Tonabnehmers vermindert oder seine Übersprechdämpfung verschlechtert wird.In piezoelectric transducer systems, the piezoelectric elements are connected to the drive element, Membrane or stylus, usually connected in a mechanical way. The connection of the drive member and element can be done directly, mostly but is a coupling element interposed, which is of the kind de? Converter system and its special purpose. For some purposes However, it can be advantageous to establish a fixed mechanical connection between the drive element and the transducer element by a coupling of non-mechanical mode of operation, e.g. B. by a magnetic coupling, to replace. Such a case is given with stereofoni see pickups, which are known to the Oscillations of the stylus caused by two sound recordings simultaneously on two Piezoelectric elements are intended to be transmitted in such a way that these elements are exclusively assigned to them Information is excited. Basically two things fall to the coupling member here contradicting tasks, because on the one hand the transmission of mechanical vibrations as possible should take place without loss, but on the other hand the elements must be largely decoupled from each other, to ensure good crosstalk attenuation. With a mechanical coupling of the elements with the stylus it is relatively difficult to meet these conflicting requirements and runs each The design is ultimately based on a compromise, in that either the voltage output of the Pickup is reduced or its crosstalk attenuation is worsened.

Die erfindungsgemäße magnetische Kupplung, deren Anwendung nicht auf den Fall eines Stereofonischen Tonabnehmers beschränkt ist, sondern die auch in anderen piezoelektrischen Wandlersystemen vorteilhaft verwendet werden kann, verfolgt das Ziel, Nachteile zu vermeiden, die einer mechanischen Verkupplung der Elemente mit dem Antriebsglied je nach Art und Zweck des Wandlersystems mehr oder minder anhaften. Der Aufbau und die Wirkungsweise der magnetischen Kupplung wird am Beispiel eines stereofonischen Tonabnehmersystems erläutert, das in der Abb. 1 schematisch in Frontansicht dargestellt ist.The magnetic coupling according to the invention, its application not to the case of a stereophonic Pickup is limited, but is also advantageous in other piezoelectric transducer systems can be used, pursues the goal of avoiding the disadvantages of a mechanical coupling of the elements adhere to the drive member to a greater or lesser extent depending on the type and purpose of the converter system. The structure and mode of operation of the magnetic coupling is illustrated using the example of a stereophonic Pickup system explained, which is shown in Fig. 1 schematically in a front view.

Zwei piezoelektrische Elemente 1 und 2, im Ausführungsbeispiel Längsbieger, sind in der bekannten Weise im Gehäuse des Tonabnehmers unter Beifügung elastischer Unterlagen eingespannt. Ihre Längsrichtung verläuft senkrecht zur Zeichenebene, und ihre mit den leitenden Belegen versehenen Oberflächen liegen senkrecht zu den Arbeitsrichtungen der Schallaufzeichnungen. Die freien Enden der piezoelektrischen Elemente tragen auf ihren der Abtast-Magnetische Kupplung
für piezoelektrische WandlersystemeTwo piezoelectric elements 1 and 2, in the exemplary embodiment longitudinal benders, are clamped in the known manner in the housing of the pickup with the addition of elastic supports. Their longitudinal direction runs perpendicular to the plane of the drawing, and their surfaces provided with the conductive layers are perpendicular to the working directions of the sound recordings. The free ends of the piezoelectric elements carry the scanning magnetic coupling on their
for piezoelectric transducer systems

Anmelder:Applicant:

F. & H. Schumann G. m. b. H.,F. & H. Schumann G. m. B. H.,

Piezo-Elektrische Geräte,
Hinsbeck (RhId.), Wevelinghoven 30Piezoelectric devices,
Hinsbeck (RhId.), Wevelinghoven 30

Lothar Sengewitz, Breyell (RhId.),Lothar Sengewitz, Breyell (RhId.),

und Friedrich Schumann, Hinsbeck (RhId.),and Friedrich Schumann, Hinsbeck (RhId.),

sind als Erfinder genannt wordenhave been named as inventors

nadel zugewandten Flächen scheibenförmige Dauermagnete 3, 4 von gleicher Polstärke, die in Richtung ihrer Dicke magnetisiert sind. Hierfür eignen sich besonders gut Oxydmagnete, weil sie ein geringes spezifisches Gewicht und zudem eine große Koerzitivkraft besitzen, wodurch sie in ihren magnetischen Eigenschaften sehr beständig sind und außerdem auch bei geringer Dicke eine beträchtliche Polstärke aufweisen. Zwei weitere, ebenfalls gleich starke scheibenförmige Dauermagnete 5,6 befinden sich am Nadelhalter 7. Hinsichtlich ihrer Magnetisierung sind diese Magnete so ausgerichtet, daß sich die Magnetpaare 3, 5 und 4, 6 mit gleichnamigen Polen gegenüberliegen. Zwischen den Magneten 3 und 5 und zwischen den Magneten 4 und 6 treten demzufolge gleich große abstoßende Kräfte auf, so daß sich der Nadelhalter 7 derart einstellt, daß innerhalb der Magnetpaare Luftspalte gleicher Größe vorhanden sind. Um die Symmetrie der abstoßenden Kräfte für alle möglichen Auslenkungen der Abtastnadel 8 zu wahren, ist es zweckmäßig, den scheibenförmigen Magneten des Nadelhalters eine kleinere Fläche zu geben. Vorteilhaft wird für den Tonabnehmer ein Kunststoffnadelhalter verwendet, an welchen man bei seiner Herstellung die Dauermagnete durch Umspritzen befestigen kann. Im übrigen ist der Nadelhalter, für dessen Herstellung selbstverständlich auch andere nichtmagnetische Werkstoffe, z. B. Beryllium-Bronze, geeignet sind, bezüglich Formgebung und Halterung nicht Gegenstand dieser Patentanmeldung. Zur Minderung der Gefahr eines Verkantens des Nadelhalters und um eine größere Untersetzung derNeedle facing surfaces disc-shaped permanent magnets 3, 4 of the same pole strength, which in the direction their thickness are magnetized. Oxide magnets are particularly suitable for this because they have a low specific weight and also have a large coercive force, which makes them into their magnetic Properties are very stable and also have a considerable pole strength even with a small thickness exhibit. Two further, equally strong, disk-shaped permanent magnets 5, 6 are located on the Needle holder 7. With regard to their magnetization, these magnets are aligned so that the magnet pairs 3, 5 and 4, 6 with poles of the same name are opposite. Between the magnets 3 and 5 and between the magnets 4 and 6 occur accordingly equally large repulsive forces, so that the needle holder 7 adjusts itself so that within the Magnet pairs, air gaps of the same size are present. To the symmetry of the repulsive forces for To maintain all possible deflections of the stylus 8, it is expedient to use the disk-shaped Magnet to give the needle holder a smaller area. A will be advantageous for the pickup Plastic needle holder is used, on which the permanent magnets are overmolded during its manufacture can attach. In addition, the needle holder is, of course, also used for its manufacture other non-magnetic materials, e.g. B. beryllium bronze, are suitable in terms of shape and Bracket is not the subject of this patent application. To reduce the risk of the Needle holder and a larger reduction of the

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Bewegungsenergie zu vermeiden, erscheint es günstig, mieden wird. Es ist ferner augenscheinlich, daß trotzTo avoid kinetic energy, it seems favorable to avoid. It is also evident that despite

die Abtastnadel 8 in geringem Abstand von einem völliger Entkupplung der Elemente die Übertragungthe scanning needle 8 at a short distance from a complete decoupling of the elements the transmission

Punkt auf der Mittellinie des Nadelhalters anzuordnen, der Schwingungen ohne Verluste an Bewegungs-Point on the center line of the needle holder, the vibrations without loss of movement

in welchem sich zwei gedachte, zu den Arbeitsrichtun- energie erfolgt und somit nicht die Entkupplungin which two imaginary energy to the direction of work occurs and thus not the decoupling

gen der Schallaufzeichnungen parallele Geraden 5 durch eine Minderung der Spannungsabgabe erkauftIn terms of the sound recordings, parallel straight lines 5 are bought at the expense of a reduction in the voltage output

schneiden, die die Mittelpunkte der Dauermagnete wird. Die erfindungsgemäße magnetische Kupplungcut that will be the centers of the permanent magnets. The magnetic coupling according to the invention

durchstoßen würden. bewirkt eine optimale Übersprechdämpfung, wie siewould pierce. causes optimal crosstalk attenuation, like her

Beim Auflegen des Tonabnehmers auf die Schall- bei Verwendung mechanischer Kupplungsglieder platte wird der Nadelhalter durch den Auflagedruck selbst unter Hinnahme großer Verluste an Beum einen geringen Weg nach oben ausgelenkt, wo- io wegungsenergie niemals erreicht werden kann. Einen durch die piezoelektrischen Elemente infolge der ab- weiteren Vorteil bietet die magnetische Kupplung stoßenden Kräfte zwischen den sich paarweise gegen- gegenüber den bekannten Konstruktionen darin, daß überliegenden Dauermagneten ebenfalls zu einer ent- nur geringe Rückstellkräfte auftreten, weil lediglich sprechenden Auslenkung gezwungen werden und der Nadelhalter und die Elemente hierzu beitragen, ihnen eine Vorspannung mitgeteilt wird, die für die 15 während die oft beträchtliche Rückstellkraft des Kupp-Wirkungsweise der magnetischen Kupplung not- lungsgliedes oder der Kupplungsglieder entfällt. Das wendig ist. Zur Erläuterung des Übertragungs- Fehlen der mechanischen Kupplungsglieder wirkt sich Vorganges sei angenommen, daß zunächst nur eine außerdem günstig auf die Intermodulation des Ton-Flanke der Schallplattenrille, beispielsweise in der abnehmers aus. Das hat seine Ursache darin, daß es Abb. 1 die rechte Flanke, Informationen enthält, 20 in der praktischen Fertigung der bekannten ,Systeme während auf der linken Flanke keine Schallaufzeich- meist schwierig ist, eine befriedigende Symmetrie zu ernungen vorhanden sind. In diesem Falle bleibt die zielen und eine Frequenzunabhängigkeit zu bewahren, Schwingungsrichtung der Abtastnadel konstant, diese zumal die Kupplungsglieder ständig wechselnden schwingt nur in der Arbeitsrichtung der Schall- inneren Spannungen ausgesetzt sind. Die magnetische aufzeichnungen auf der rechten Schallrillenflanke, die 25 Kupplung dagegen bewirkt durch die gleiche Polin der Abb. 1 durch den Doppelpfeil I, II gekenn- stärke ihrer Magnetpaare automatisch die symtnezeichnet ist. Ein Entfernen der Abtastnadel aus der irische Ausrichtung des Tonabnehmersystems, die Ruhelage in Richtung I bewirkt infolge der ab- frequenzunabhängig ist, weil die magnetischen Kräfte stoßenden Kraft zwischen den sich gleichpolig gegen- über alle mechanischen Schwingungsfrequenzen und überliegenden Dauermagneten Z, 5 eine entsprechende 30 bei allen Amplituden konstant bleiben.
Auslenkung des piezoelektrischen Elementes 1. Ein weiteres Anwendungsbeispiel der Erfindung ist Schwingt die Abtastnadel aus der Ruhelage nach der in der Abb. 2 dargestellt. Diese zeigt in vergrößertem entgegengesetzten Richtung II, so folgt das Element Maßstab den Schnitt durch eine piezoelektrische vermöge der Vorspannung, die ihm zuvor durch das Mikrofonkapsel, die an Stelle der üblichen mehr oder Auflegen des Tonabnehmers auf die Schallplatte er- 35 minder starren Verbindung zwischen Membran und teilt wurde, dieser Bewegung. Voraussetzung für die Wandlerelement mit einer magnetischen Kupplung Erregung des Elementes zu symmetrischen Biege- versehen ist. Auf das mittels drei elastischer Stützen schwingungen ist die richtige Bemessung und Ein- 10 in bekannter Weise im Gehäuse 11 gelagerte piezostellung der am Schwingungsvorgang beteiligten elektrische Element 12 ist in der freien, nicht abKräfte, deren Verhältnis primär durch den Auflage- 40 gestützten Ecke ein Dauermagnet 13 aufgeklebt. Die druck des Tonabnehmers bestimmt ist. Während die Membran 14 trägt in ihrer Mitte den Gegenmagnet Schwingungen der Abtastnadel bei ausreichender Be- 15; beide Magnete liegen sich mit gleichnamigen messung der Polstärke der Kupplungsmagnete prak- Polen gegenüber. Die abstoßenden Polkräfte der tisch verlustfrei auf das zugeordnete Element 1 über- Magnete bewirken sowohl eine Vorspannung des tragen werden, sind sie ohne jeden Einfluß auf das 45 piezoelektrischen Elementes als auch der Membran, nicht zugeordnete piezoelektrische Element 2. Dieses wodurch die für die Wirkungsweise der magnetischen Element kann nicht erregt werden, weil sich die Dauer- Kupplung erforderlichen Rückstellkräfte hervormagnete 4, 6 lediglich parallel zueinander verschieben. gerufen werden. Die Anwendung des erfindungsgemä-Im allgemeinen Fall wird die Abtastnadel durch die ßen Prinzips auf piezoelektrische Mikrofonkapseln Aufzeichnungen auf beiden Flanken der Schallplatten- 50 gestattet auf einfache Weise die Konstruktion von rille, die nach Frequenz, Amplitude und Phase in Systemen selektiven Übertragungsbereiches, wie sie jedem Augenblick verschieden sind, in Schwingungen oftmals für spezielle Verwendungszwecke, zum Beiversetzt, so daß sich die Schwingungsrichtung der spiel Überholungs-Warngeräte für Kraftfahrzeuge, Abtastnadel laufend ändert. Infolgedessen überlagern erwünscht sind. Durch eine entsprechende Abstimsich für die Magnetpaare beider Kupplungszweige 55 mung der Lagerung des Elementes zu den Polkräften Auslenkungen mit Parallelverschiebungen jeweils ent- der einander abstoßenden Magnete ist es möglich, die sprechend der Komponenten der resultierenden Breite des zu übertragenden Frequenzbandes zu Schwingungen in den Arbeitsrichtungen der Schall- regulieren. Ist die magnetische Kupplung weich, was aufzeichnungen. immer dann der Fall sein wird, wenn die einer Aus-When the pickup is placed on the sound plate, when mechanical coupling link plates are used, the needle holder is deflected a small distance upwards by the contact pressure, even with the acceptance of large losses of Beum, whereby the kinetic energy can never be achieved. Another advantage of the piezoelectric elements as a result of the additional advantage of the magnetic coupling is that the forces acting in pairs opposite one another compared to the known constructions are that overlying permanent magnets also result in only slight restoring forces because only speaking deflection is forced and the Needle holder and the elements contribute to this, a bias is communicated to them, which is omitted for the 15 during the often considerable restoring force of the coupling mode of action of the magnetic coupling emergency member or the coupling members. That is agile. To explain the lack of transmission of the mechanical coupling members, it is assumed that initially only one has a beneficial effect on the intermodulation of the sound flank of the record groove, for example in the receiver. This is due to the fact that Fig. 1 contains the right flank, information, 20 in the practical production of the known systems, while on the left flank no sound recording is usually difficult to achieve a satisfactory symmetry. In this case, the aim and frequency independence must be preserved, the direction of oscillation of the scanning needle remains constant, especially since the coupling elements are exposed to constantly changing oscillations only in the working direction of the internal sound stresses. The magnetic recordings on the right flank of the sound groove, the coupling, on the other hand, is caused automatically by the same pole in Fig. 1 by the double arrows I, II identifying the strength of their magnet pairs, which is automatically indicated. Removing the stylus from the Irish alignment of the pickup system, the rest position in direction I, is due to the frequency-independent, because the magnetic forces pushing force between the homopolar opposite all mechanical oscillation frequencies and overlying permanent magnets Z, 5 a corresponding 30 at all amplitudes remain constant.
Deflection of the piezoelectric element 1. Another application example of the invention is when the scanning needle oscillates from its rest position as shown in FIG. This shows in enlarged opposite direction II, so the element scale follows the section through a piezoelectric by virtue of the bias voltage that was previously applied to it by the microphone capsule, which instead of the usual more or more rigid connection of the pickup on the record is less rigid connection between the membrane and has been sharing this movement. Requirement for the transducer element to be provided with a magnetic coupling excitation of the element to symmetrical bending. On the vibrations by means of three elastic supports is the correct dimensioning and a piezo position stored in a known manner in the housing 11 of the electrical element 12 involved in the oscillation process is in the free, non-relieving forces, the ratio of which is primarily a permanent magnet through the corner supported by the support 40 13 glued on. The pressure of the pickup is determined. While the membrane 14 carries the counter magnet oscillations of the scanning needle in its center with sufficient loading 15; Both magnets are practically opposite each other with the same-named measurement of the pole strength of the coupling magnets. The repulsive pole forces of the table on the associated element 1 via magnets cause both a bias of the wear, they are without any influence on the 45 piezoelectric element and the membrane, unassigned piezoelectric element 2. This makes the for the operation of the The magnetic element cannot be excited because the permanent clutch required restoring forces only move the magnets 4, 6 parallel to one another. be called. The application of the invention - In the general case, the scanning needle is made possible by the principle of piezoelectric microphone capsules Momentary are different, in vibrations, often for special purposes, to be installed, so that the direction of vibration of the game overtaking warning devices for motor vehicles, scanning needle changes continuously. As a result, overlays are desirable. By appropriately spacing the magnet pairs of the two coupling branches, the mounting of the element to the pole forces, deflections with parallel displacements of each of the magnets repelling each other, it is possible to cause the components of the resulting width of the frequency band to be transmitted to vibrate in the working directions of the sound - regulate. Is the magnetic coupling soft what records. will always be the case when the one

Der Vorteil einer Anwendung der erfindungs- 60 lenkung des Elementes entgegenstehenden, im wesent-The advantage of using the control of the element contrary to the invention, essentially

gemäßen magnetischen Kupplung für stereofonische liehen aus der Lagerung resultierenden Kräfte größeraccording to magnetic coupling for stereophonic borrowed from the storage resulting forces greater

Tonabnehmer gegenüber den bekannten Konstruk- sind als die Polkräfte der Kupplungsmagnete, soPickups compared to the known construction are as the pole forces of the clutch magnets, so

tionen, die mit einem elastischen Kupplungsglied oder spricht das Mikrofon nur bei großen Amplituden an,functions with an elastic coupling element or the microphone only responds with large amplitudes,

mehreren solchen Gliedern arbeiten, ist vor allem also in einem schmalen Übertragungsband im Re-several such links work, is therefore above all in a narrow transmission band in the re-

darin gegeben, daß mangels jeder mechanischen Ver- 65 sonanzbereich. Durch eine harte Kupplung, d. h. beigiven that in the absence of any mechanical resonance range. By a hard coupling, i. H. at

bindung zwischen den piezoelektrischen Elementen großen Polkräften und relativ weicher Lagerung desbond between the piezoelectric elements large pole forces and relatively soft storage of the

und der Abtastnadel eine Erregung der Elemente Elementes, wird dagegen ein breites Frequenzbandand the stylus excitation of the elements element, on the other hand, becomes a wide frequency band

durch die nicht zugeordnete Schallaufzeichnung mit übertragen. Die Resonanzfrequenz selbst läßt sichtransmitted by the unassigned sound recording. The resonance frequency itself can be

absoluter Sicherheit unterbunden und jede Rück- durch Änderung der Massen der Kupplungsmagneteabsolute safety prevented and any reverse by changing the masses of the coupling magnets

wirkung des einen Elementes auf das andere ver- 70 über einen weiten Bereich variieren.The effect of one element on the other can vary over a wide range.

Claims

Patent claims:

1. Magnetic coupling for piezoelectric transducer systems, characterized in that the Drive element (membrane, scanning needle) and the piezoelectric element each with one Permanent magnets are provided, which, while maintaining an air gap, have poles of the same name opposite.

2. Magnetic coupling according to claim 1, characterized in that the coupling magnets have a flat disk shape and are magnetized in the direction of their thickness.

3. Magnetic coupling according to claim 1 and 2, characterized in that the piezoelectric Elements to achieve symmetrical oscillations around the rest position a bias is granted.

4. Magnetic coupling according to claim 1 to 3, characterized in that two pairs Permanent magnets are combined into a double clutch, which the mechanical vibrations of the Stylus of a stereophonic pickup on the associated piezoelectric elements transmits.

5. Magnetic coupling according to claim 1 to 4, characterized in that the double clutch forming pairs of magnets are arranged so that the directions of their magnetization run parallel to the working directions of the assigned sound recordings.

6. Magnetic coupling according to claim 1 to 5, characterized in that the on the Needle holder located coupling magnets are kept smaller in their area than those with magnets connected to the piezoelectric elements.

7. Magnetic coupling according to claim 1 to 3, characterized in that by the ratio the resulting from the mounting of the piezoelectric elements, opposing their deflection Forces to the pole forces of the coupling magnets as well as their mass both the width of the frequency band to be transmitted as well as the resonance frequency can be regulated.

1 sheet of drawings