DE1192705B

DE1192705B - Piezoelectric flexural oscillator

Info

Publication number: DE1192705B
Application number: DES71625A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Eugen Traenkle
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1960-12-12
Filing date: 1960-12-12
Publication date: 1965-05-13
Also published as: NL272404A

Description

Piezoelektrischer Biegeschwinger Die Erfindung betrifft einen ringförmigen piezoelektrischen Biegeschwinger aus polarisierter Keramik, z. B. Bariumtitanat, und mit zur Ausbildung der Biegeschwingungen bei Anlegen von elektrischen Wechselfeldern dienenden Elektroden.Piezoelectric flexural oscillator The invention relates to an annular one piezoelectric flexural oscillator made of polarized ceramic, e.g. B. barium titanate, and with to the formation of the bending vibrations when applying alternating electric fields serving electrodes.

Ein bereits bekannter magnetostriktiver Schwinger für tiefe Frequenzen besteht aus einem langgestreckten Körper, der auch in Form eines Ringes ausgebildet sein kann. Als magnetostriktives Material für den Schwinger wird hierbei beispielsweise Ferrit verwendet. Auf den ringförmigen magnetostriktiven Körper ist dabei eine Wechselstromwicklung aufgebracht, die im magnetostriktiven Körper magnetische Felder wechselnder Richtung auszubilden vermag. Zusätzlich sind magnetische Pole, und zwar Nord- und Südpole, an gegenüberliegenden Stellen des ringförmigen Körpers angesetzt, um magnetische Gleichfelder im magnetostriktiven Körper auszubilden. Der magnetostriktive Körper kann auch bereits eine konzentrische Vormagnetisierung aufweisen. Zur Ausbildung der Schwingungen werden zusätzliche Wechselstrommagnete derart an den Körper angelegt, daß sich gleichartige Pole dieser Wechselstrommagnete diametral am Ring gegenüberstehen.A well-known magnetostrictive transducer for low frequencies consists of an elongated body, which is also designed in the form of a ring can be. The magnetostrictive material for the oscillator is, for example Ferrite used. There is an alternating current winding on the ring-shaped magnetostrictive body applied, the magnetic fields of changing directions in the magnetostrictive body able to train. In addition, there are magnetic poles, namely north and south poles, attached to opposite points of the annular body to magnetic Develop constant fields in the magnetostrictive body. The magnetostrictive body can also already have a concentric premagnetization. For training the vibrations, additional AC magnets are applied to the body in such a way that that similar poles of these alternating current magnets are diametrically opposite on the ring.

In beiden Fällen sind nicht nur räumlich ausgedehnte Gebilde (Dauermagnete bzw. Wechselstrommagnete) außerhalb der magnetostriktiven Ringe angeordnet, sondern es sind darüber hinaus zusätzliche Wicklungen erforderlich, die insbesondere im erstgenannten Fall schwierig auf den Körper aufzubringen sind. Darüber hinaus ist es in diesem Falle notwendig, daß diese zusätzlichen Wicklungen symmetrisch und genau homogen auf diesem Körper verteilt sind, da sich andernfalls sehr viele unsymmetrische Nebenresonanzstellen des magnetostriktiven Schwingers ergeben.In both cases there are not only spatially extended structures (permanent magnets or alternating current magnets) arranged outside the magnetostrictive rings, but there are also additional windings required, especially in the the former case are difficult to apply to the body. In addition, is it is necessary in this case that these additional windings are symmetrical and are distributed exactly homogeneously on this body, otherwise there will be very many asymmetrical Secondary resonance points of the magnetostrictive oscillator result.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Biegeschwinger aus polarisierter Keramik zu schaffen, der mit geringem Aufwand herstellbar ist und ausgezeichnete Stellen zur Halterung des Schwingers aufweist, die mit den Schwingungsknoten des Biegeschwingungen durchführenden Elements identisch sind. Außerdem ist es Ziel der Erfindung, einen Biegeschwinger zu schaffen, der die Oberschwi bauregen weitgehend unterdrückt.The present invention is based on the object of a piezoelectric To create flexible oscillators made of polarized ceramic that can be produced with little effort is and has excellent points for holding the transducer, which with the Vibration nodes of the element carrying out bending vibrations are identical. It is also the aim of the invention to create a flexural oscillator that the Oberschwi building rain largely suppressed.

Zur Lösung dieser Aufgaben sieht die Erfindung bei einem Biegeschwinger der eingangs erwähnten Art vor, daß 2n-1-2 Paar Elektroden jeweils symmetrisch auf der äußeren und der inneren Mantelfläche des Ringes angeordnet sind (h=1, 2, 3 ... ) und daß die jeweils benachbarten und gegenüberliegenden Elektroden mit entgegengesetzten Polen einer Wechselspannungsquelle verbunden sind, so daß nach eingeprägter radialer Vorpolarisierung des Ringresonators bei Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes an die Elektroden Biegeschwingungen entstehen. Die Elektroden können dabei in an sich bekannter Weise als Silberbeläge ausgebildet sein.To achieve these objects, the invention provides for a flexural oscillator of the type mentioned at the outset that 2n-1-2 pairs of electrodes are arranged symmetrically on the outer and inner surface of the ring (h = 1, 2, 3 ... ) and that the respectively adjacent and opposite electrodes are connected to opposite poles of an alternating voltage source, so that after impressed radial pre-polarization of the ring resonator, bending vibrations arise when an alternating electric field is applied to the electrodes. The electrodes can be designed as silver coatings in a manner known per se.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Einprägung des Remanenzzustandes in den Ringsegmenten, d. h. die Vorpolarisierung, durch Anlegen einer Gleichspannung an die Elektroden während einer Erhitzung des Ringes auf Curietemperatur und nachfolgender Abkühlung vorgenommen, wobei die Elektroden derart an die Spannungsquelle angeschlossen sind, daß die elektrischen Felder radial verlaufen, und zwar sämtlich entweder nach innen oder nach außen.According to a further development of the invention, the remanence state is impressed in the ring segments, d. H. the pre-polarization, by applying a direct voltage to the electrodes while the ring is heated to Curie temperature and thereafter Cooling carried out, the electrodes connected to the voltage source in this way are that the electric fields run radially, all either after inside or outside.

Die in der erfindungsgemäßen Weise auf den äußeren und inneren Mantelflächen des Ringes aufgebrachten Belegungen sind nicht nur außerordentlich leicht und homogen auf den piezoelektrischen Körper aufzubringen, sie bieten darüber hinaus den sehr wesentlichen Vorteil, daß diese Belegungen bereits zur Vorpolarisierung der Keramik verwendet werden können. Ein weiterer erheblicher Vorteil des Biegeschwingers nach der Erfindung liegt in seinem geringen Raumbedarf, weshalb dieser Schwinger in Miniaturbaugruppen als Mikrobauelement eingesetzt werden kann.In the manner according to the invention on the outer and inner lateral surfaces The coatings applied to the ring are not only extremely light and homogeneous to apply to the piezoelectric body, they also offer the very significant advantage that these assignments are used to pre-polarize the ceramic can be used. Another significant advantage of the oscillating flexure after the invention lies in its small footprint, which is why this transducer in miniature assemblies can be used as a microcomponent.

Die Erfindung wird an Hand der F i g. 1 bis 4 weiter beschrieben, wobei diese Figuren nur Beispiele für die Erfindung darstellen.The invention is illustrated with reference to FIGS. 1 to 4 further described, these figures only being examples of the invention.

In F i g. 1 ist ein erfindungsgemäßer ringförmiger, piezoelektrischer Biegeschwinger dargestellt. Der schwingfähige kreisförmige keramische Körper 1 besteht beispielsweise aus Bariumtitanat. Auf diesen Ring sind sowohl auf Abschnitten der inneren, als auch der äußeren Mantelflächen Belegungen aufgebracht, die als Elektroden für die anzulegenden Wechselspannungen dienen. Diese Beläge können durch Auftragen einer Silberpaste und Einbrennen derselben hergestellt sein. Dabei ist darauf Wert gelegt, daß die Beläge symmetrisch in der Weise angeordnet sind, daß sich jeweils Beläge auf den Abschnitten der inneren Mantelfläche des Ringes entsprechenden Belägen der äußeren Mantelfläche des Ringes gegenüberstehen. Nach der Erfindung werden sowohl sämtliche Beläge 2 miteinander als auch sämtliche Beläge 3 miteinander elektrisch, die Beläge 3 aber gegenpolig verbunden, so daß die elektrischen Felder in benachbarten Ringsegmenten entgegengesetzt verlaufen. Die Vorpolarisierung der Keramik ist beispielsweise derart vorgenommen, daß die Ringe auf Curietemperatur erhitzt und dabei an die Elektroden ein verhältnismäßig starkes elektrisches Feld angelegt ist, das auch beim Abkühlen des Ringes noch nicht abgeschaltet wird, so daß ein Polarisationszustand eingefroren wird. Dabei wird das elektrische Gleichfeld derart angelegt, daß die elektrischen Feldvektoren radial nach außen gerichtet sind, so daß eine remanente Polarisation in radialer Richtung zurückbleibt. Die Erhitzung kann beispielsweise in einem Ölbad vorgenommen sein.In Fig. 1 is an annular piezoelectric according to the invention Flexural oscillator shown. The oscillatable circular ceramic body 1 consists for example from barium titanate. On this ring are both on sections of the inner, as well as the outer jacket surfaces applied as electrodes for the to be created AC voltages are used. These rubbers can be made by applying a silver paste and baking it. Included It is important that the pads are arranged symmetrically in such a way that that there are deposits on the sections of the inner surface of the ring face corresponding coverings of the outer surface of the ring. To of the invention are both all of the pads 2 together and all of the pads 3 electrically connected to each other, but the pads 3 are connected with opposite polarity, so that the electrical Fields in adjacent ring segments run in opposite directions. The pre-polarization the ceramic is made, for example, in such a way that the rings are at Curie temperature heated and a relatively strong electric field applied to the electrodes is applied that is not switched off even when the ring cools down, so that a polarization state is frozen. Thereby the electric constant field applied in such a way that the electric field vectors are directed radially outwards, so that a remanent polarization remains in the radial direction. The heating can for example be done in an oil bath.

Mit den Punkten 4 sind die Schwingungsknoten gekennzeichnet, das sind Stellen, bei denen sich der erfindungsgemäße Biegeschwinger im Betrieb nicht bewegt. Diese Punkte eignen sich deshalb ganz besonders zur Halterung eines derartigen erfindungsgemäßen Biegeschwingers. Es können dabei Halterungsstäbe durch Löcher an diesen Stellen 4 geführt und mit dem biegeschwingenden Element mechanisch verbunden sein.With the points 4 the vibration nodes are marked, that are Places in which the flexible oscillator according to the invention does not move during operation. These points are therefore particularly suitable for holding such a device according to the invention Flexural oscillator. It can hold mounting rods through holes at these points 4 out and be mechanically connected to the flexurally vibrating element.

F i g. 2 stellt den Schnitt A -A des in F i g. 1 angegebenen erfindungsgemäßen Elementes dar.F i g. 2 shows the section A -A of the in FIG. 1 specified element according to the invention.

In F i g. 3 ist die elektrische Feldrichtung des in F i g. 1 angegebenen erfindungsgemäßen Biegeschwingers beispielsweise in dem Moment des Maximums einer Wechselspannungshalbwelle schematisch dargestellt. Dabei bezeichnen die Pfeile a die Richtung der eingeprägten radialgerichteten remanenten Gleichfelder, während die Pfeile b die Richtung der durch die angelegte Wechselspannung hervorgerufenen Wechselfelder angeben. Es werden sich also jeweils Gleich- und Wechselfelder überlagern, wobei abwechselnd von Ringsegment zu Ringsegment das Gleichfeld durch die Wechselfeldkomponente verstärkt oder geschwächt ist, so daß eine Elongation des Ringes in vertikaler Richtung und eine Einbiegung in horizontaler Richtung erfolgt.In Fig. 3 is the electric field direction of the in FIG. 1 specified Flexural oscillator according to the invention, for example, at the moment of the maximum one AC voltage half-wave shown schematically. The arrows denote a the direction of the impressed radially directed remanent constant fields, while the arrows b the direction of the caused by the applied alternating voltage Specify alternating fields. So there will be superimposed constant and alternating fields, the constant field alternating from ring segment to ring segment through the alternating field component is strengthened or weakened, so that an elongation of the ring in the vertical direction and an inflection occurs in the horizontal direction.

F i g. 4 stellt schematisch die Richtungen der elektrischen Felder beim Maximum der nächsten Halbwelle, also der entgegengesetzten Richtung der nach F i g. 3 angegebenen Wechselfeldkomponenten, dar. Mit a sind wieder die Richtungen der eingeprägten radialgerichteten remanenten Gleichfelder und mit b die Richtungen der auftretenden Wechselfeldkomponenten angegeben. In diesem Fall wird der Ring in horizontaler Richtung elongiert und in vertikaler Richtung zusammengezogen. Durch die Wechselspannung wird nun dem Ring ein Schwingen zwischen beiden Zuständen nach F i g. 3 und 4 aufgezwungen, wobei die Punkte 4 in Ruhe bleiben. Die dünnen Belegungsschichten sind derart ausgebildet, daß auch sie die Schwingungen des piezoelektrischen keramischen Körpers ohne Gefahr eines Abreißens elastisch durchzuführen vermögen.F i g. 4 schematically shows the directions of the electric fields at the maximum of the next half-wave, i.e. the opposite direction to that after F i g. 3 indicated alternating field components. With a are again the directions of the impressed radially directed remanent constant fields and with b the directions of the alternating field components that occur. In this case the ring will elongated horizontally and contracted vertically. By the alternating voltage will now oscillate between the two states after the ring F i g. 3 and 4 imposed, with points 4 remaining in peace. The thin covering layers are designed in such a way that they also absorb the vibrations of the piezoelectric ceramic Body are able to perform elastically without the risk of tearing off.

Es ist auch in analoger Weise erlaubt, daß die radiale Vorpolarisierung durch nach innen gerichtete Feldvektoren ausgebildet ist. Nach der Erfindung können auch mehrere als die vier Belegungspaare nach den F i g. 1 bis 4 angebracht werden, so daß nicht nur vier, sondern beispielsweise sechs, acht oder mehr Schwingungsknoten auftreten.It is also allowed in an analogous manner that the radial pre-polarization is formed by inwardly directed field vectors. According to the invention can also more than the four occupancy pairs according to FIGS. 1 to 4 are attached, so that not just four, but for example six, eight or more nodes of vibration appear.

Bei den erfindungsgemäßen kreisringförmigen Biegeschwingern ist es möglich, innerhalb der Ringe weitere kleine Bauelemente anzuordnen, so daß eine weitgehend raumsparende Anordnung erreicht ist. Die erfindungsgemäßen Elemente eignen sich deshalb auch besonders gut zum Einsatz in Mikrobaugruppen.In the case of the annular flexural oscillators according to the invention, it is possible to arrange other small components within the rings, so that a largely space-saving arrangement is achieved. The elements according to the invention are suitable therefore also particularly suitable for use in micro-assemblies.

Claims

Claims: 1. Annular piezoelectric flexural oscillator made of polarized ceramic, e.g. B. barium titanate, and for the formation of the bending vibrations when applying alternating electric fields serving electrodes, characterized in that 2 n + 2 pairs of electrodes are each symmetrically arranged on the outer and inner surface of the ring (n = 1, 2, 3 . .. ) and that the respectively adjacent and opposite electrodes are connected to opposite poles of an alternating voltage source, so that, after the radial pre-polarization of the ring resonator, when an alternating electric field is applied to the electrodes, bending vibrations arise.

2. Piezoelectric Flexural oscillator according to Claim 1, characterized in that the electrodes are on are designed as a known manner as silver coverings.

3. Piezoelectric oscillating oscillator according to claim 1, characterized in that the impression of the remanence state in the ring segments, d. H. the pre-polarization, by applying a direct voltage to the electrodes while the ring is heated to Curie temperature and thereafter Cooling is carried out, the electrodes being connected to the voltage source in this way are that the electric fields run radially, all either after outside or inside. Publications considered: German patent specification No. 1013 714.