DE1200890B - Biegungsschwinger aus scheibenfoermigem elektrostriktivem Material - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03h

Deutsche Kl.: 21a4-10

Nummer: 1200 890

Aktenzeichen: S 67453 IX d/21 a4

Anmeldetag: 7. März 1960

Auslegetag: 16. September 1965

Die Erfindung befaßt sich mit der Ausbildung und Anwendung eines Biegungsschwingers aus scheibenförmigem elektrostriktivem Material.

Es sind bereits Biegungsschwinger dieser Art als elektrostriktive Mikrofon- oder Telefonmembranen bekannt. Diese bestehen aus mehreren Schichten, von denen wenigstens eine aus elektrostriktivem Material ist. Zu beiden Seiten jeder elektrostriktiven Schicht sind scheibenförmige Elektroden angeordnet, an denen bei Biegeschwingungen eine Spannung abgegriffen wird, oder an die zur Erzeugung von Biegeschwingungen eine Spannung angelegt wird. Es wird bei dieser Art von Biegeschwingern zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie die Querkontraktion des elektrostriktiven Materials ausgenutzt. Dadurch ist naturgemäß der elektromechanische Kopplungsfaktor etwa dreimal kleiner als bei einem Schwinger, bei dem die Längskonktraktion ausgenutzt wird.

Bei den bekannten Biegeschwingern sind die Elektroden in einem gewissen Abstand vom Schwinger befestigt. Diese haben dadurch aus Stabilitätsgründen eine verhältnismäßig große Ausdehnung. Als Schwingermaterial wird im allgemeinen Material mit vorgegebenen Polarisationsachsen verwendet, wie z. B. Quarz. Damit erhalten die Schwinger eine einheitliche Polarisationsrichtung längs der Biegeachse.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, bei einem Biegeschwinger aus scheibenförmigem elektrostriktivem Material für die elektromechanische Umwandlung die Längskontraktion des Materials nutzbar zu machen und damit den elektromechanischen Kopplungsfaktor zu erhöhen. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Kombination folgender Merkmale gelöst:

a) An sich bekannte Anordnung streifenförmigen, elektrisch leitenden Materials auf der Oberfläche des Biegeschwingers, wodurch diese in mehrere senkrecht zur Achse angeordnete Zonen unterteilt wird;

b) an sich bekannte entgegengesetzte Polarisierung des elektrostriktiven Materials, wobei jeweils zwei aufeinanderfolgende Zonen in der Oberflächenschicht entgegengesetzt polarisiert werden;

c) Zusammenfassung jeweils der geradzahligen und der ungeradzahligen Leiterstreifen durch je eine Verbindungsleitung zu je einem Pol des Schwingers.

Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise eines derartigen Biegungsschwingers wird zunächst dessen Herstellung an Hand eines Beispiels erläutert.

Biegungsschwinger aus scheibenförmigem
elektrostriktivem Material

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Werner Poschenrieder, München

Es wird auf eine Scheibe aus elektrostriktivem Material, z. B. aus Bariumtitanat, die 1 mm dick oder auch wesentlich dünner ausgeführt ist, elektrisch leitendes Material streifenförmig aufgetragen. Als Leitmaterial kann beispielsweise Silber verwendet werden, das auf irgendeine bekannte Weise aufgetragen wird. Die Leiterstreifen unterteilen die Oberfläche des elektrostriktiven Materials in einzelne Zonen und werden erfindungsgemäß so miteinander verbunden, daß jeweils die geradzahligen und ungeradzahligen Leiterstreifen zusammengefaßt sind und je einen Pol des Schwingers bilden. Der Abstand der Leiterstreifen soll kleiner sein als die Dicke des Biegungsschwingers. Nun wird an die beiden Pole des Schwingers eine Gleichspannung angelegt, die, bezogen auf den Abstand der Leiterstreifen, etwa 600 V/mm beträgt. Diese Spannung ruft in den Zonen zwischen den Leiterstreifen ein elektrisches Feld hervor, durch das das elektrostriktive Material polarisiert wird, wobei entsprechend der Ausbildung des elektrischen Feldes die Polarisationsspannung in den Oberflächen der Scheibe am größten ist. Die Polarisation von elektrostriktivem Material hat unabhängig von dem Vorzeichen der Polarisationsspannung eine Formänderung, z.B. eine Verlängerung des Materials in Polarisationsrichtung, zur Folge. Das bedeutet, daß in diesem Fall die äußeren Schichten der Scheibe gedehnt werden und die Scheibe dadurch verspannt wird. In diesem Zustand wird der Biegungsschwinger erwärmt, und zwar so weit, bis die Curie-Temperatur des elektrostriktiven Materials überschritten ist (bei Bariumtitanat etwa 140° C), und dann wieder abgekühlt. Auf diese Weise bleibt auch nach dem Abtrennen der Gleichspannungsquelle die durch diese verursachte Polarisation in dem elektrostriktiven

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Material und damit die Verspannung der Scheibe ist als deren Breite, so daß der Schwinger stabförmig erhalten. Die Polarisation ist bei benachbarten Zonen ist. Das elektrisch leitende Material ist in Form von des elektrotristriktiven Materials entgegengesetzt ge- Querstreifen auf der Oberfläche des Schwingers richtet. Wird nun an die Pole eines derart präparier- angeordnet. Die Querstreifen sind abwechselnd mit ten Biegungsschwingers eine Steuerspannung ange- 5 der einen und der anderen Längsseite der Scheibe legt, die wesentlich kleiner ist als die vorher zur verbunden, und die Längsseiten durch einen Auftrag Erzeugung der Polarisation verwendete Gleichspan- von elektrisch leitendem Material leitfähig gemacht, nung, dann wird in benachbarten Zonen des elektro- In Fig. 3 ist die Scheibe kreisförmig. Die einzelnen striktiven Materials je nach Polarität der Steuer- Leiterstreifen sind in Form von konzentrischen, nicht spannung die Polarisationsspannung entweder ge- xo geschlossenen Ringen 8/1, 8/2 ... 8/n auf der Oberschwächt oder verstärkt. Der Biegungsschwinger fläche der Scheibe aufgebracht. Die geradzahligen verändert dadurch in benachbarten Zonen seine Ringe sind durch eine Verbindungsleitung 9 mitein-Krümmung im gleichen Sinn, so daß die ganze ander verbunden und bilden einen Pol 10 des Bie-Scheibe im selben Krümmungssinn entweder mehr gungsschwingers. Ebenso sind die ungeradzahligen oder weniger gebogen wird. 15 Ringe durch die Verbindungsleitung 11 miteinander

Der Querschnitt der Scheibe kann je nach Anwen- verbunden und zu dem Pol 12 zusammengefaßt, dungsgebiet verschiedene Formen haben. Er kann Zwischen den Ringen aus Leitmaterial befinden sich z.B. rechteckig oder rund sein, wobei sich die Leiter- ringförmige Zonen 13/1, 13/2 ... 13/(n—1), die streifen dieser Form insoweit anpassen müssen, als nicht mit leitendem Material bedeckt sind, von denen sie jeweils senkrecht zur gewünschten Biegeachse 20 jeweils zwei benachbarte in den Oberflächenschichten verlaufen müssen. Die erste Ausführungsart wird entgegengesetzt polarisiert sind,
beispielsweise verwendet als Filterelement oder als F i g. 4 zeigt ebenfalls einen kreisförmigen Biefrequenzbestimmendes Element im Rückkopplungs- gungsschwinger, bei dem in an sich bekannter Weise netzwerk eines Schwingungserzeugers, wenn es auf die Leiterstreifen in Form zweier ineinanderlaufender ein Schwingkreiselement hoher Güte ankommt. Die 25 Spiralen 14 und 15 angeordnet sind. Bei dieser Anzweite Art der Ausführung eignet sich z. B. als Ordnung erübrigen sich die für die Zusammenfassung Membran für einen elektroakustischen Wandler. Für der Leiterstreifen sonst notwendigen Verbindungsdiesen ist zur Erzielung eines möglichst großen leitungen. Durch die spiralenförmigen Leiterstreifen elektroakustischen Wirkungsgrades oft eine Anpas- wird auch zwangläufig das elektrostriktive Material sung an das umgebende Schallmedium erwünscht. 30 in spiralförmige Zonen unterteilt, von denen jeweils Eine Anpassung wird beispielsweise dadurch erreicht, zwei benachbarte entgegengesetzt polarisiert sind, daß die Scheibe sehr dünn ausgeführt ist, oder daß Diese Ausführungsform hat ebenso wie die Ausein mechanisches Übertragungsglied vorgesehen ist, führungsform nach F i g. 3 im wesentlichen radialmit dem die Bewegung des Biegungsschwingers auf symmetrische Biegungsachsen,
eine Membran übertragen wird. Außerdem wäre es 35 An Hand des Ausführungsbeispiels nach F i g. 5 zu diesem Zweck möglich, den Biegeschwinger auf soll gezeigt werden, daß es oft vorteilhaft ist, wenn einem scheibenförmigen, elastischen Träger zu be- die Leiterstreifen im elektrostriktiven Material verfestigen. In diesem Fall wäre zu berücksichtigen, daß tieft angeordnet sind. In diesem Fall ist das elekder Biegeschwinger jeweils nur Flächen gleichen irische Feld, durch das die Zonen zwischen den Krümmungssinnes des Trägers bedecken soll, wenn 40 Leiterstreifen polarisiert werden, im wesentlichen in bei dem Träger, bedingt durch seine Einspannung, Richtung der Biegeachse ausgebildet. Es wird damit Flächen verschiedenen Krümmungssinnes auftreten. ein besonders großer Anteil der elektrischen Energie

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele an in den äußeren Schichten zur Erzeugung des Biege-

Hand der F i g. 1 bis 6 näher erläutert. momentes ausgenutzt. Dem gleichen Zweck, nämlich

Fig. 1 stellt im Querschnitt eine Scheibe 1 aus 45 das wirksame Biegemoment zu erhöhen, dient die elektrostriktivem Material dar. Die Scheibe ist etwa doppelseitige Anordnung der Leiterstreifen.
1 mm dick und ihre Oberfläche durch streifenförmi- Bei der in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform ges, elektrisch leitendes Material 2/1, 212...2In in ist ein stabförmiger Biegungsschwinger perspektivisch mehrere, senkrecht zur Biegeachse angeordnete dargestellt, wobei die vordere Kante 16 im Schnitt Zonen 3/1, 3/2.. . 3/(n—1) unterteilt. Aufeinander- 50 gezeichnet ist, um die Schaltung der Leiterstreifen folgende Zonen des elektrostriktiven Materials sind verdeutlichen zu können. Die Leiterstreifen 17/1, in den äußeren Schichten der Scheibe entgegengesetzt 17/2 ... sind ähnlich wie bei der Anordnung nach polarisiert. Wie eine derartige Polarisation erzielt F i g. 2, aber vertieft im elektrostriktiven Material wird, wurde bereits erläutert. Beim Ausführungs- angeordnet. Ebenso entspricht die Anordnung der beispiel nach Fig. 1 sind die geradzahligen Leiter- 55 beiden Verbindungsleitungen 18 und 19 an den beiden streifen 2/2, 2/4... 2In durch eine Verbindungs- Längsseiten des rechteckförmigen Stabes der Ausleitung 4 zusammengefaßt und bilden einen Pol 5 des führung nach Fig. 2. Zur Unterstützung der Biege-Biegungsschwingers. Außerdem sind die ungerad- wirkung befinden sich auch auf der unteren Seite zahligen Leiterstreifen 2/1, 2/3 ... 2/(ra— 1) durch des stabförmigen Schwingers Querstreifen, von denen eine Verbindungsleitung 6 zusammengefaßt und bilden 60 allerdings nur die geradzahligen 20/2, 20/4 ... sichtden anderen Pol 7 des Biegungsschwingers. Zwischen bar sind. Damit sich die Biegewirkungen auf der den Polen 5 und 7 wird die Steuerspannung für den Ober- und auf der Unterseite des stabförmigen Schwinger angelegt. Schwingers gegenseitig unterstützen, -muß die Vor-

In F i g. 2 ist die Draufsicht eines derartigen aussetzung erfüllt sein, daß entweder die überein-

Schwingers dargestellt mit einer zweckmäßigen An- 65 anderliegenden Zonen des elektrostriktiven Materials

Ordnung der Verbindungsleitungen 4 und 6. Der entgegengesetzt polarisiert und die übereinander-

Querschnitt der Scheibe ist hier rechteckig ausge- liegenden Querstreifen jeweils an gleichen Polen des

bildet, wobei die Länge der Scheibe wesentlich größer Schwingers angeschlossen sind, oder daß die über-

einanderliegenden Zonen gleichsinnig polarisiert und die übereinanderliegenden Querstreifen jeweils an verschiedenen Polen des Schwingers angeschlossen sind. Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 ist eine gleichsinnige Polarisation übereinanderliegender Zonen angenommen. Es sind deshalb die übereinanderliegenden Leiterstreifen 17/1 und 20/2 an zwei verschiedene Verbindungsleitungen 19 und 18 angeschlossen. Das gleiche gilt für die übrigen Leiterstreifen.

F i g. 6 zeigt die Ausführüngsform eines stabförmigen Biegungsschwingers als Vierpol. Die Anordnung der Leiterstreifen und der Verbindungsleitungen entspricht der der Ausbildung nach F i g. 2. Es ist hier aber nur ein Teil 23 der geradzahligen und der ungeradzahligen Leiterstreifen durch je eine Verbindungsleitung zu je einem Pol 24 und 25 des Schwingers zusammengefaßt. Der andere Teil 26 der Leiterstreifen ist durch zwei weitere Verbindungsleitungen zu zwei weiteren Polen 27 und 28 geführt, so daß auf diese Weise ein elektrischer Vierpol entsteht. Eine derartige Ausführungsform hat vor allem Bedeutung als Filterelement für elektrische Filter hoher Güte.

Die an Hand mehrerer Beispiele erläuterten erfindungsgemäßen Biegungsschwinger werden vorteilhaft zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie, z. B. als elektroakustische Wandler, verwendet oder als frequenzbestimmende Zweipol- oder Vierpolelemente hoher Güte in elektrischen Filtern oder Rückkopplungsnetzwerken für Schwingungserzeuger. Je nach Verwendungsart wird hierbei die eine oder andere der beschriebenen Ausführungsformen bevorzugt werden.

Claims (12)

Patentansprüche: 35

1. Biegungsschwinger aus scheibenförmigem elektrostriktivem Material, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Merkmale:

a) An sich bekannte Anordnung streifenförmigen, elektrisch leitenden Materials (Leiterstreifen 2/1, 2/2 ...) auf seiner Oberfläche, wodurch diese in mehrere senkrecht zur Biegeachse angeordnete Zonen (3/1, 3/2 ...) unterteilt wird;

b) an sich bekannte entgegengesetzte Polarisierung des elektrostriktiven Materials, wobei jeweils zwei aufeinanderfolgende Zonen in der Oberflächenschicht entgegengesetzt pola- ^s° risiert werden;

c) Zusammenfassung jeweils der geradzahligen (2/2, 2/4 ...) und der ungeradzahligen (2/1, 2/3 ...) Leiterstreifen durch je eine Verbindungsleitung (4, 6) zu je einem Pol (5, 7) des Schwingers.

2. Biegungsschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstreifen auf beiden Seiten der Scheibe angeordnet sind, und zwar so, daß sich ihre Projektionen auf die gleiche Scheibenebene decken, und daß entweder die übereinanderliegenden Zonen des elektrostriktiven Materials entgegengesetzt polarisiert und die übereinanderliegenden Leiterstreifen

(z. B. 17/1 und 20/2 in F i g. 5) jeweils an gleichen Polen des Schwingers angeschlossen sind, oder daß die übereinanderliegenden Zonen gleichsinnig polarisiert und die übereinanderliegenden Querstreifen jeweils an verschiedenen Polen des Schwingers angeschlossen sind.

3. Biegungsschwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterstreifen im elektrostriktiven Material vertieft angeordnet sind (F i g. 5).

4. Biegungsschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe rechteckig ausgebildet ist, wobei vorzugsweise die Länge der Scheibe wesentlich größer ist als deren Breite, und daß das elektrisch leitende Material in Form von Querstreifen auf der Oberfläche der Scheibe angeordnet ist (Fig. 1 und 2).

5. Biegungsschwinger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitungen für die Querstreifen in Form von streifenförmigem, elektrisch leitendem Material an den beiden Längsseiten (4 und 6 in F i g. 2) der Scheibe angeordnet sind.

6. Biegungsschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe kreisförmig ausgebildet ist, und die Leiterstreifen in Form konzentrischer Ringe (8/1, 8/2 ... in F i g. 3) auf der Oberfläche der Scheibe angeordnet sind.

7. Biegungsschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe kreisförmig ausgebildet ist und die Leiterstreifen in an sich bekannter Weise in Form zweier ineinanderlaufender Spiralen (14 und 15 in F i g. 4) auf der Oberfläche der Scheibe angeordnet sind.

8. Biegungsschwinger nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch Ausbildung als Schallmembran.

9. Biegungsschwinger nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß er über ein mechanisches Übertragungsglied mit einer Schallmembran verbunden ist.

10. Biegungsschwinger nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß er auf einen scheibenförmigen, elastischen Träger aufgebracht ist.

11. Biegungsschwinger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß er nur Teilflächen des Trägers mit gleichem Krümmungssinn bedeckt.

12. Biegungsschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil (23 in Fig. 6) der geradzahligen und ungeradzahligen Leiterstreifen durch je eine Verbindungsleitung zu je einem Pol (24 und 25) des Schwingers zusammengefaßt ist, und daß der andere Teil (26) durch zwei weitere Verbindungsleitungen zu zwei weiteren Polen (27 und 28) zusammengefaßt ist, so daß der Biegungsschwinger einen elektrischen Vierpol bildet.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 591 588;
schweizerische Patentschrift Nr. 132431;
USA.-Patentschrift Nr. 2 281 778.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 687/150 9.65 © Bundesdruckerei Berlin