DE1248740B - - Google Patents

Description

B Ό N D E S R K P U B Lϊ K D E U T S C K LA Ν D DEUTSCHES PATENTAMT

AUS LEGE S C H RI FT

t. Cl:

UQMi

Deutsche Kl.: 21a4-10

Nummer: 1 248 740

Aktenzeichen: T 19S06IX d/21 a4

Anmeldetag: 16. März 1961

Auslegetag: 31. Aueust 196'

Es sind bereits piezoelektrische Elemente bekannt; die aus zwei miteinander verbundenen quaderförmigen Körpern aus piezoelektrischen Kristalien bestehen, bei denen die Anschlußelekiroden einerseits zwischen den quaderförmigen Körpern und andererseits auf den äußeren Oberflächen der quaderförmigen Körper angeordnet sind. Diese piezoelektrischen ,^Elemente sind bei einer geeigneten Wahl der Schnittrichtung bezüglich der Kiistallachsen zu sattelförmigen Biegeschwingungen anregbar, die man auch als Torsionsscltwingungen ansehen kann.

Des weiteren ist ein piezoelektrisches Element mit einem im wesentlichen plattenförmigen piezoelektrischen Körper mit auf einander gegenüberliegenden Seiten angeordneten Elektroden bekannt, bei dem die Elektroden die Fonn von Streifen aufweisen und derart in zueinander entgegengesetzten Diagonalrichtungen angeordnet sind, daß sich für den piezoelektrischen Kristall eine wirksame Elektrodenllache ergibt, die kleiner ist als jede der beiden Streifenflächen. Auf diese Weise soll die Schwierigkeit sehr enger Hersiellungsioleranzen in bezug auf die Lage der ElcktrodenfHichen vermieden werden, solange in;r der Winkel der Überkreuzung einigermaßen eingehalten wird.

Der Eifindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem zu jaUelfprmLigeiL-BjegescInvingüngen anrcgbaren piezoelektrischen Element, das aus zwei miteinander verbundenen Materiaischiciiten mit rcchleckförmiger Grundfläche und mit einerseits zwischen den Schichten und andererseits auf den äußeren Oberflächen der SchiclUen angeordneten, als Elektroden dienenden, elektrisch leitenden Belägen b^lerilt7'enr^TcYöeJe'ktri3ches Elcmein "zTf'"säiaiTeij, däT'elTenfaüs zu sattelförmigen Biegeschwingungen anregbar ist, jedoch wesentlich einfacher als die bekannten Elemente herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird eriindurigsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens eine der beiden Schichten aus einem quaderförmigen Körper piezoelektrischen keramischen, in Richtimg des Wechsc.'feldes vorpolarisierten Materials, vorzugsweise Bariumtitanat, besteht, wobei auf der äußeren Oberfläche dieser piezoelektrischen Schicht in an sich bekannter Weise eine in diagonaler Richtung angeordnete streifenförmige Elektrode aufgebracht ist, deren Breite vorzugsweise ein Drittel ihrer Länge beträgt.

Das erfindiingsgeniiiße piezoelektrische Element besteht also nicht aus einem piezoelektrischen Kristall, dessen Vorpolnrisaiiou durch geeignete Wall! der Schnittrichtung bezüglich der Krisuillachscn eingestellt wird, sondern aus·piezoelektrischer Keramik, Zu sattelförmigen Biegeschwingimgen anregbares piezoelektrisches Element

ίο Anmelder:
Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
Ulm/Donau, Elisabethcnstr. 3

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Ulrich Weber, Ulm/Donau

deren Vorpolarisation nach Herstellung des eigentlichen Körpers in jeder beliebigen Richtung erfolgen kann. Im vorliegenden Fall erfolgt diese in Richtung des Wechselfeldes. Die Anregung zu sattelförmigen BiegescIiwingungen bzw. zn Torsionuschv/ingungen wird dabei nicht durch eine unterschiedliche Orientierung bzw. VorpoJarisation der Schichten, sondern durch eine besondere Formgebung der äußeren Elektroden erzielt. Die Fertigung eines solchen erfindungsgemäßen Elements ist in Form eines Preßvorgangs des piezoelektrischen keramischen Materials gegenüber dem bisherigen KrisialIscbneideverfahren sehr einfach zu handhaben. Die anschließende Vorpolarisation der Schwingkörper ist auf Grund der besonderen Eiektrodenform ebenfalls sehr einfach und vorteilhaft erzeugbar, da Gleichfcld und Wechsclfeld ciie gleiche Richtung aufweisen.

Bei einem solchen erfmdungsgemäßen piezoelektrischen Element können, beide Schichten aus piezoelektrischem keramischem Material bestellen, wobei die auf den äußeren Oberflächen der Schichten angeordneten, elektrisch miteinander verbundenen

.Su streifenförmigen Eiekiroden in zueinander entgegengesetzt diagonalen Richtung aufgebracht sind. Es ist aber auch möglich,, daß nur eine der beiden Schich-

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Claims (3)

1 Icn aus piezoelektrischem keramischem Material besieht, während die andere Schicht aus nicht piezoelektrischen! Material, vorzugsweise Stahl, besteht. Die Verbindung dieser beiden quaderförmigen Körper kann durch Kleben, Löten oder Sintern erfolgen. Die sich dann ergebende Ieifcadc Zwischenschicht stellt die eine Elektrode des Wandlers dar. Sie kann zweckmäßig gleichzeitig zur Befestigung von KoppeIelernenten zur Übertragung der mechanischen Bewegung herangezogen werden. Die andere Elektrode des Wandlers besteht aus den beiden diagonal verlaufenden Belegungen aus leitendem Material, welche miteinander leitend verbunden weiden. bzw. nur aus der. einen streifenförmigen Elektrode, falls nur eine Schicht aus piezoelektrischem keramischem Material besteht. Λη Hand der Zeichnungen werden. Ausführungsbtispiele für das erfindungsgemäße piezoelektrische Element erläutert. ·· · In Fig. 1 und 2 der Zeichnungen sind die beiden Schichten aus piezoelektrischem keramischem Material mit 1 und 2 bezeichnet. Jeweils eine Oberflächenseife dieser beiden Schichten ist mit einem Überzug aus elektrisch leitendem Material versehen. Diese elektrisch leitende Schicht ist in F i g. 1 und 2 mit 3 bezeichnet. Die beiden quaderförmigen Körper i und 2 sind beispielsweise durch Löten so aneinandergesetz!, daß die beiden Körper mit ihren elektrisch leitenden Schichien 3 aneinanderstoßen. Die einander gegenüberliegenden Oberflächen der beiden quaderförmigen Körper sind mit entgegengesetzt zueinander diagonal verlaufenden streifenförmigen Elektroden 4 und 5 versehen. Die Anregung von sattelförmigen Biegeschwingungen bzw. Torsionsschwiiigungen bei einem piezoelektrischen Element gemäß Fig. 1 und 2 läßt sich wie folgt erklären: Legt man gemäß Fig. 1 zwischen die Mittelelektrode 3 und den Diagonalbelag 4 eine Wechselspannung 6 geeigneter Frequenz, so tritt wegen der «0 unsymmetrischen Anregung über die Umwandlung der Dickenschwingung in eine Longitudinalschwingung längs der Diagonalere eine Biegeschwiiigung in der durch die Punkte/IC gehenden und auf der Zwischenschicht 3 senkrecht stehenden Ebene auf. Der gleiche Effekt tritt auf bei Anregung zwischen MitteIelektrode 3 und dem anderen Diagonaibelag 5. In diesem Falle liegt jedoch die Biegeschwingung in der Ebene, die senkrecht auf der Zwischenschicht 3 steht und durch die Punkte B'D' geht. Verbindet man nun die beiden Diagonalbeläge 4 und 5 gemäß Fig. 2 miteinander, dargestellt durch die beiden Leitungen 7 und 8, so bewirken die beiden oben erläuterten Biegeschvvingungen eine oszillierende Verdrehung der Fläche BB CC gegenüber der FHieue AA'D'D um die durch die Verbindiingsflächc gehende und auf den beiden genannten Flächen senkrecht stellende ATittelachse 14 als Torsionsaehse. Damit ist die gewünschte Torsionsschwingung erreicht. In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführiingsbeispiel eines crlindungsgcinäßcn Torsioiisschwingcrs dargestellt. In diesem Fall ist nur eine einzige Schicht 10 aus piezoelektrischen! keramischem Material verge- C5 sehen. Die andere Sghjcht ist durch ein nicht piezoelektrisches Material, z. B. durch Stahl, ersetzt wor · den. Diese zweite Sciiicht ist in F i g. 3 mit J.J be- 740 : zeichnet. Sic braucht nicht mehr quaderförmig ausgebildet zu sein, sondern kann beispielsweise die Form eines Halbzylinders haben. In diesem Falle erhält man jedoch einen kleineren Koppelfaktor. Im Falle dieses Ausiiihrungsbcispiels nach Fig. 3 entfällt naturgemäß auch der Streifen aus elektrisch leitendem Material auf dem Körper 11. Die Anregung von sattelförmigen Biegeschwingungen bzw. Torsionsschwingungen bei einem piezoelektrischen Element gemäß F i g. 3 läßt sich wie folgt erklären: Der mit dem Elektrodenbelag 13 versehene Teil der piezoelektrischen Schicht ist in gleicher Weise wie der gleiche Teil der Anordnungen gemäß F i g. 1 und 2 bestrebt, unter Einfluß des Wecliselfeldes eine Biegeschwingung senkrecht zur Elektrodenebene auszuführen. IDa der Schwerpunkt der Anordnung am gleichen Ort bleiben muß, ergibt sich automatisch ein Gegensehwingcn der nicht mit Elektrodenmaterial überzogenen Schwingteile, wodurch sich ebenfalls satteiförmige Biegeschwingungen bzw. Torsionsschwingungen ergeben. Es wurde bereits ausgeführt, daß die leitende Zwischenschicht 3 zur Befestigung von Koppelelementen benutzt werden kann. In diese Schicht 3 können also irgendwelche Glieder — in der Zeichnung nicht dargestellt — eingebettet werden, welche die bei einer Anregung des Wandlers auftretenden Torsionskräfte auf andere Elemente, z. B. die Resonatoren eines mechanischen Filters, übertragen. Diese Koppelelemcnle können aber auch auf andere Weise an dem Wandler befestigt werden, z. B. unmittelbar an den quaderförmigen Körpern aus piezoelektrischem keramischem Material. Patentansprüche:

1. Zu sattelförmigen Biegeschwingungen anregbarcs piezoelektrisches Element, bestehend aus zwei miteinander verbundenen Materialschichten mit rechteckförmiger Grundfläche mit einerseits zwischen den Schichten und andererseits auf den äußeren Oberflächen der Schichten angeordneten, als Elektroden dienenden, elektrisch leitenden Belägen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden Schichten aus einem quaderförmigen Körper piezoelektrischen keramischen, in Richtung des Wechselfeldcs vorpolarisierten Materials, vorzugsweise Bariumtitanat. besteht, wobei auf der äußeren Oberfläche dieser piezoelektrischen Schicht in an sich bekannter Weise eine in diagonaler Richtung angeordnete streifenförmige Elektrode aufgebracht ist, deren Breite vorzugsweise ein Drittel ihrer Länge beträgt.

2. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Schichten (1, 2) aus piezoelektrischem keramischem Material bestehen und daß die auf den äußeren Oberflächen der Schichten angeordneten, elektrisch miteinander verbundenen streifenförmigen Elektroden (4, 5) in zueinander entgegengesetzt diagonalen Richtungen aufgebracht sind.

3. Piezoelcktrisclics Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Scliichleii (JO) aus piezoelektrischem keramischem Maieriai besieht, während die andere