DE1165667B - Piezoelektrischer Biegeschwinger - Google Patents

Piezoelektrischer Biegeschwinger

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DE1165667B
DE1165667B DES80110A DES0080110A DE1165667B DE 1165667 B DE1165667 B DE 1165667B DE S80110 A DES80110 A DE S80110A DE S0080110 A DES0080110 A DE S0080110A DE 1165667 B DE1165667 B DE 1165667B
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Germany
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piezoelectric
occupancy
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flexural oscillator
oscillator according
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Pending
Application number
DES80110A
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English (en)
Inventor
Dipl-Phys Dietrich Bartels
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication of DE1165667B publication Critical patent/DE1165667B/de
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    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04RLOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2047Membrane type

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Piezo-Electric Transducers For Audible Bands (AREA)
  • Apparatuses For Generation Of Mechanical Vibrations (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • Bei den bekannten piezoelektrischen Biegeschwingern ist zum Anschluß der verschiedenen Belegungen eine Anzahl elektrischer Anschlußorgane erforderlich.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Gemäß F i g. 7 sind die Belegungen andersartig an die Spannungsquelle angeschlossen. Der Bewegungsmodus verläuft analog zu F i g. B.
  • 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.

Claims (7)

  1. Patentansprüche: 1. Piezoelektrischer Biegeschwinger, bestehend aus zwei piezoelektrischen Schichten, z. B. keramischen Platten od. dgl., mit elektrischen Belegungen auf den Schichtaußenseiten und zwischen den Schichten sowie einer derartigen Polarisation und einem derartigen elektrischen Feldlinienverlauf beim Betrieb des Schwingers, daß die Richtungen der Polarisation und der elektrischen Feldlinien in Teilen der Schichten parallel und in anderen Teilen der Schichten antiparallel zueinander verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenbelegung als Blindbelegung ausgebildet und die äußeren Belegungen auf jeder Schichtseite in mindestens je zwei Teile aufgespalten sind.
  2. 2. Piezoelektrischer Biegeschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Belegungen in je zwei halbkreisförmige Teile aufgespalten sind.
  3. 3. Piezoelektrischer Biegeschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Belegungen in je eine innere kreisförmige Belegung und eine radial äußere ringförmige Belegung aufgespalten sind.
  4. 4. PiezoelektrischerBiegeschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindbelegung als elektrisch leitfähige Schicht, z. B. Metallfolie, leitfähiger Kleber, leitfähiger Zement od. dgL, ausgebildet ist.
  5. 5. Piezoelektrischer Biegeschwinger nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindbelegung als elektrisch leitfähiges Gitter ausgebildet ist.
  6. 6. Piezoelektrischer Biegeschwinger nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindbelegung zwischen zwei piezoelektrische Platten eingelötet, eingeklebt, eingesintert od. dgl. ist.
  7. 7. Piezoelektrischer Biegeschwinger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzschichten zwischen den piezoelektrischen Platten aus halbleitender, z. B. anreduzierter Keramik bestehen und als Blindbelegung dienen.
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