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Piezoelektrischer Biegeschwinger Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen
Biegeschwinger, der zur Umwandlung von elektrischer Energie, z. B. Wechselspannung,
in mechanische Bewegung oder zum Erzeugen elektrischer Energie, z. B. elektrischer
Wechselspannungen niedriger Frequenzen, dient. Derartige piezoelektrische Biege-5chwinger
werden z. B. als Ultraschallschwinger oder als Schallgeber bzw. -empfänger in Mikrophonen
und Telephonen verwendet.
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Bei bekannten piezoelektrischen Biegeschwingern sind zwei piezoelektrische
Schwinger, z. B. Platten aus Bariumtitanat, derart miteinander verbunden, daß zwischen
den Platten und auf beiden äußeren Seiten der Platten elektrisch leitfähige Belegungen
angeordnet sind. Damit ein derartiger Biegeschwinger Biegeschwingungen senkrecht
auf die Ebene der Platte auszuführen vermag, ist es notwendig, die Platten mit einer
Vorpolarisierung zu versehen und elektrische Felder zwischen den Belegungen derart
zu erregen, daß bei einer Wechselspannungshalbwelle in einer Platte die elektrischen
Feldlinien im wesentlichen parallel zur Vorpolarisierungsrichtung und in der anderen
Platte im wesentlichen antiparallel dazu verlaufen. Die Schwingkörper sind insbesondere
derart bemessen, daß die Eigenresonanz der Biegeschwingung bei der gewünschten Frequenz
auftritt.
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Bei den bekannten piezoelektrischen Biegeschwingern ist zum Anschluß
der verschiedenen Belegungen eine Anzahl elektrischer Anschlußorgane erforderlich.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Schwierigkeiten zu umgehen,
die das Anschließen der Mittelelektrode bereitet, besonders dann, wenn die Platten
des Schwingers, wie dies z. B. für niedrige Frequenzen erforderlich ist, sehr dünn
sind und dementsprechend auch die Mittelelektrode sehr dünn sein muß.
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Die Erfindung bei einem piezoelektrischen Biegeschwinger, der aus
zwei piezoelektrischen Schichten bzw. Platten mit elektrisch leitfähigen Belegungen
auf den Schichtaußenseiten und zwischen den Schichten besteht und bei dem im Betriebszustand
des Schwingers die Polarisation in einer Schicht oder Schichtteilen parallel zur
Richtung der elektrischen Feldlinien und in der anderen Schicht bzw. den anderen
Schichtteilen antiparallel zu dieser Richtung verläuft, besteht darin, daß die Zwischenbelegung
als Blindbelegung ausgebildet ist und die äußeren Belegungen auf jeder Schichtseite
in mindestens je zwei Teile aufgespalten sind. Die äußeren Belegungen können z.
B. in zwei getrennte halbkreisförmige Teile oder in je eine innere kreisförmige
Belegung und je einen oder mehrere radial äußere Belegungsringe aufgespalten sein.
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Die Blindbelegungen sind zwischen die piezoelektrischen Schichten,
die z. B. aus Platten mit einer Dicke von etwa einigen Zehnteln Millimetern bestehen,
eingelötet, eingeklebt; eingesintert oder in andererWeise befestigt. Die beiden
Platten sind dabei mechanisch miteinander verbunden. Es können auch piezoelektrische
Schichten zu beiden Seiten einer als Blindbelegung dienenden elektrisch leitfähigen
Platte, z. B. einer Metallscheibe, aufgetragen sein. Es ist ebenso möglich, Randschichten
zweier keramischer Scheiben derart anzureduzieren, daß sich die Perowskitstruktur
derart ausbildet bzw. verändert, daß beide Randschichten elektrisch leitfähig sind.
Nach der Erfindung werden diese beiden Platten mit ihren Randschichten verbunden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, eine keramische Platte mit einer aasreduzierten elektrisch
leitfähigen Oberflächenschicht mit einer anderen nicht aasreduzierten Platte mechanisch
zu verbinden, so daß zwischen diesen Platten die aasreduzierte Schicht der einen
Platte als Blindbelegung für beide Platten verwendet werden kann. Die als Blindbelegung
dienende elektrisch leitfähige Schicht kann als Metallfolie, als leitfähiger Kleber,
als leitender Zement, elektrisch leitfähiges Gitter od. dgl. ausgebildet sein. Die
Blindbelegung braucht nicht bis zum Rand geführt zu sein. Dies ist insbesondere
zur Verhinderung von unerwünschten Inhomogenitäten am Rand der Platten zu empfehlen.
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Der erfindungsgemäße Biegeschwinger kann verhältnismäßig dünn ausgebildet
sein, so daß er sich sehr vorteilhaft für die Verwendung bei Telephonen und Mikrophonen
wegen der besonders niedrigen Frequenzen anbietet.
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In der F i g. 1 bis 8 sind Beispiele für die Erfindung angegeben.
Nach
F i g. 1 ist ein piezoelektrischer Biegeschwinger aus zwei keramischen Platten 1
a, 1 b aus Bariumtitanat, die ohne elektrisch leitfähige Zwischenbelegungen miteinander
verbunden sind, aufgebaut. Auf den Außenseiten beider Platten befinden sich die
elektrisch leitfähigen Belegungen 2a und 2b. Die Platten sind derart
vorpolarisiert, daß die Polarisationsrichtung P jeweils von der Verbindungsfläche
der beiden Platten nach außerhalb zu den elektrisch leitfähigen Belegungen
2a und 2b verläuft. Bei Anlegen von Spannung 11 an die beiden
Belegungen werden bei einer Spannungshalbwelle elektrische Felder E von der einen
Belegung 2a zur anderen 2b in den keramischen Platten erregt, so daß in der einen
Platte 1 b die Richtung der Polarisation parallel zur Richtung des elektrischen
Feldes steht, während in der anderen Platte 1 a beide Richtungen antiparallel verlaufen.
Bei der anderen Halbwelle verlaufen die elektrischen Felder in umgekehrter Richtung.
Mit R ist die Vorzugsrichtung der Elongation der Platten beim Anlegen von Wechselspannungen
an die elektrischen Belegungen dargestellt.
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In F i g. 2 ist ein piezoelektrischer Biegeschwinger mit einer Zwischenbelegung
2 c dargestellt, bei dem die beiden äußeren Belegungen 2 a, 2 b elektrisch
miteinander kontaktiert sind und die Spannung l( zur Erregung der Biegeschwingungen
zwischen den äußeren und der Zwischenbelegung angelegt ist. In diesem Falle müssen
die keramischen Platten 1 a und 1 b in der gleichen Richtung polarisiert sein, damit
die Schwingungen bei Wechselspannung 11 erregt werden können.
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In der F i g. 3 ist die Aufsicht auf einen kreisförmigen piezoelektrischen
Biegeschwinger der erfindungsgemäßen Art dargestellt, bei dem sich auf dem keramischen
Körper 11 zwei halbkreisförmige Belegungen 12 b 1 und 12 b 2 befinden.
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In der F i g. 4 ist ein Schnitt durch den in F i g. 3 dargestellten
Biegeschwinger angegeben. Der keramische Körper besteht aus einem oberen, 11a, und
unteren, 11b, Teil. Beide Teile schließen eine elektrisch leitfähige Blindbelegung
12 c ein. Auf den beiden Stirnseiten des kreisförmigen Schwingers sind Belegungen
12a 1, 12a2 und 12b1, 12b2 angeordnet und derart geschaltet, daß die beiden
Belegungen 12 a i und 12b1 sowie 12a2 und 12b2 jeweils am gleichen
Spannungspotential liegen. Die keramischen Scheiben sind in Richtung der Pfeile
P vorpolarisiert. Die elektrischen Feldlinien verlaufen bei Anlegen von Wechselspannung
1C während einer Halbwelle im oberen Scheibenteil 11 a zwischen der Blindbelegung
12 c und den Belegungen 12 a und 12 a 2 parallel und im unteren Scheibenteil 12b
zywischen der Blindbelegung und den Belegungen 12 b 1 und 12 b 2 antiparallel zur
Polarisierung P und während der anderen Halbwelle umgekehrt, so daß Schwingungen
erregt werden. Die Zwischenbelegung bildet eine Äquipotentialfläche. Selbstverständlich
treten in den Teilen der Keramik, die direkt zwischen den elektrischen Belegungen
12 b 1 und 12 b 2 bzw. 12 a 1 und 12 a 2 liegen, die Feldlinien von der einen Belegung
zur anderen direkt über.
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In der F i g. 5 ist ein erfindungsgemäßer Biegeschwinger 21 mit einer
inneren kreisförmigen Belegung 22 b 2 und einer äußeren ringförmigen Belegung 22
b 1 dargestellt.
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In F i g. 6 und 7 sind mit kreis- bzw. kreisringförmigen Belegungen
versehene Schwinger im Schnitt dargestellt, die am Rande eingespannt, 24, sind.
Die Belegungen sind elektrisch derart miteinander verbunden, daß die elektrischen
Feldlinien E der anregenden Wechselspannung l( bei der einen Halbwelle in der einen
Scheibe 21 a zwischen den Belegungen 22 a 2 und 22 c entgegengesetzt, in der anderen
Scheibe 21 b zwischen 22 b 2 und 22 c dagegen parallel zur eingezeichneten Polarisation
P verlaufen. Zwischen den Belegungen 22 a 1 und 22 c bzw. 22 b 1 und 22c treten
umgekehrte Verhältnisse wie zwischen den mittleren Belegungen auf. Bei der anderen
Halbwelle verlaufen die elektrischen Felder umgekehrt. Durch diese Anregung wird
die Platte in Biegeschwingungen versetzt bzw. tritt bei einer erzwungenen Durchbiegung
des Plattenpaares an den Anschlüssen 23a und 23b entsprechend dem direkten
piezoelektrischen Effekt eine Spannung auf.
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Die Flächen der Belegungen 22b1 und 22b2
sollen zueinander
so groß sein, daß die Scheinwiderstände zwischen den Belegungen 22a 1 bzw.
22b1 und der Blindelektrode 22c einerseits und zwischen 22 a 2 bzw. 22 b 2 und der
Blindelektrode 22 c andererseits etwa gleich groß sind. Sie führen Bewegungen gemäß
F i g. 8 aus. A bezeichnet den Durchmesser, für den die Schwingerplatte bei Ausführung
der Schwingungen stets die Krümmung = 0 hat. Der Radius A stellt also den Wendepunktdurchmesser
der Durchbiegung dar. Die Belegungen sind entsprechend F i g. 6 und 7 derart aufgeteilt,
daß der Durchmesser A in dem Zwischenraum zwischen 22 a 1 und 22 a 2 bzw. 22 b 1
und 22 b 2 liegt. Durch die angegebene Anregung der Schwingungen wird erreicht,
daß sich die Platte außerhalb des Kreises A in entgegengesetzter Richtung als innerhalb
von A durchbiegt.
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Gemäß F i g. 7 sind die Belegungen andersartig an die Spannungsquelle
angeschlossen. Der Bewegungsmodus verläuft analog zu F i g. B.
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Auch die in F i g. 6 und 7 dargestellten Schwinger sind entsprechend
dem direkten piezoelektrischen Effekt durch von außen eingeprägte Biegungen der
Platte, z. B. durch Schallwellen, als Spannungsgeneratoren, z. B. als Mikrophone,
zu verwenden. Die Spannung kann zwischen den Klemmen 23 a und 23 b abgenommen werden.