DE1422054A1

DE1422054A1 - Piezo-elektrische UEbertragungseinrichtung

Info

Publication number: DE1422054A1
Application number: DE19601422054
Authority: DE
Inventors: Takeo Shiga
Original assignee: Nippon Columbia Co Ltd
Current assignee: Nippon Columbia Co Ltd
Priority date: 1960-02-06
Filing date: 1960-06-15
Publication date: 1968-10-10
Also published as: NL120979C; GB958201A; NL251123A; US3084228A

Description

lie lirfindung betrifft eine piezo-elektrische Übertragungseinrichtung und insbesondere eine übertragungseinrichtung für eine elektromechanisch^ übertragung, die auf dem piezo-elektrischen Effekt eines piezo-elektrischen Kristalls, z.B. eines Hochelle Salzkristalls beruht.

Gemäß der Erfindung wird ein piezo-elektrischer handler mit einem piezo-elektrischen Kristalleleinent angegeben, der sich oadurch auszeichnet, daß dieses piezo-elektrische Kristallelement in einer Richtung aus einem Kristall geschnitten oder in einer Richtung wachsen gelassen wird, die einen Winkel θ zur Z-Achse des Kristalls bildet, wobei der Winkel θ aus der

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Neue Unterlaaen {Art 7 * I Ab* 2 Nt 1 Satz 3 des Anderungsgee. γ. 4,9. L9.67)

2 2 Gleichung K cosGsinö = cos θ - sin θ bestimmt wird, wobei

:C eine Konstante ist, wodurch am Kristallelement eine Spannung abgenommen werden kann,die den auf dieses Element ausgeübten Torsions- und Biegekräften entspricht.

Unter einer "im wesentlichen horizontalen Aufnahmerille" wird eine Rille verstanden, die im wesentlichen über ihre Länge horizontal verläuft, wie z.B. die 'Rille einer Schallplatte, die in der üblichen Abspielstellung horizontal angeordnet ist. Höhenänderungen innerhalb der Rille, die z.B. auf dem darin aufgezeichneten Aufnähmegegenstand beruhen, werden nicht in Betracht gezogen, wenn von im wesentlichen horizontal gesprochen wird.

Bs ist wünschenswert, die piezo-elektrisehen Elemente so anzuordnen, daß die erste Spannung proportional zu der Summe von zwei Spannungen ist, von denen die eine proportional zu den Amplituden der senkrechten Schwingungen und die andere proportional zu den Amplituden der horizontalen Schwingungen ist, und daß die zweite Spannung proportional zu der Differenz dieser beiden Spannungen ist«

Im folgenden soll die Erfindung näher anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen erläutert werden.,

Figur 1 zeigt schematisch die Beziehung zwischen einer auf das piezo-elektrische Element ausgeübten Querkraft und einer

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dadurch erzeugten Y/echselspannung, die in der nachfolgenden Beschreibung als "piezo-elektrische Spannung" bezeichnet wird.

Figur 2 zeigt einen Grundriß längs der X-Achse in Pig. 1, um dieselbe Beziehung wie in Fig. 1 zu erläutern.

■ i ,·

Figur 3 zeigt die elektrische Anordnung des in den Fig« 1 und 2 gezeigten piezo-elektrischen Elementes.

Figur 4 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Wandlers.der ein Beispiel eines Bimorphs bildet, wie er in der vorliegenden Erfindung verwandt wird»

Figur 5 ist eine scliematische Darstellung, die ein sog. 45-45 Stereoaufzeichnungssystem darstellt.

Figur 6 zeigt eine Seitenansicht im Schnitt einer Aufnahme einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.

Figur 7 zeigt eine vergrößerte, perspektivische Teilansicht einer Einrichtung zur Befestigung eines Bimorphs gemäß der vorliegenden Erfindung«

Figur 8 zeigt eine vergrößerte Draufsicht auf eine .,JEinrichtung zur Befestigung einer Aufnahmenadel gemäß der vorliegenden Erfindung. ..

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Figur 9 zeigt eine Seitenansicht der in Pig« 8 gezeigten Einrichtung·

Figur 10 zeigt eine Seitenansioht im Schnitt eines Bimorphs, wie er gemäß der Erfindung verwandt wird.

Figur 11 ist eine Seitenansioht im Schnitt eines anderen Typs von Bimorph, wie er gemäß der Erfindung verwandt wird»

In der Zeichnung sind, entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

Die folgenden Scherkräfte, die die Dimension Kraft pro Einheitsfläche haben, werden in Zusammenhang mit einem piezo-elektrischen Element, wie' es in Fig. 1 gezeigt ist, definiert, wobei X, Y und Z die optischen Achsen sind»

Y_z = Scherkraft entlang der Z-Achse in der Ebene senkrecht zu der Y-Achse..

Ζ_χ « Scherkraft entlang der X-Achse in der Ebene senkrecht zu der Z-Aohae·

X * Scherkraft entlang der Y-Achse in der Ebene senkrecht zu der I-Achae.

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Das piezo-elektrische Element erzeugt eine piezo-elektrische Ladung infolge des Biegemomentes und der Torsion, die durch die Scherkraft ausgeübt werden. Wenn z.B. P die Polarisation

JL

ist, definiert als ladung pro Einheitsfläche, die auf den beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen senkrecht zu der X-Achse z.B. aufgrund der Scherkraft Y₀ erzeugt wird, so wird die folgende Formel erhalten.

worin d... eine piezo-elektrische Konstante ist.

In ähnlicher Weise wird eine Polarisationsladung aufgrund der Scherkraft Z gemäß einer entsprechenden Beziehung wie oben erzeugt.

Ein piezo-elektrisches Element mit kubischer Struktur ist in Pig« 1 gezeigt. Das piezo-elektrische Element hat zwei einander gegenüberliegende x-Fläohen senkrecht zur X-Achse, zwei einander gegenüberliegende Flächen 2 und ein drittes Paar von einander gegenüberliegenden Außenflächen 3. Die Iängsachse A-A¹ parallel zu den Flächen X und 2 und die Nebenaohse B-B^f senkrecht zu der Achse A-A^f und parallel zu den Flächen X und 3 sind jeweils gegenüber der Z-Achse und Y-Aohse um einen Winkel Q gedreht, wie es in Figur 1 gezeigt iat.

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Um die Polarisation des obigen Elementes 1 zu erläutern, soll der- Fall betrachtet werden, daß das Element 1 festgehalten ist und der Scherkraft Y unterworfen wird, wobei auf Pig. 2 bezug genommen wird, in der das Element, gesehen entlang der X-Achse, dargestellt ist«.

Wenn eine Druckkraft F pro Einheitsfläche senkrecht auf die Seitenfläche 3 und eine Scherkraft- F_ pro Einheitaflache entlang der Seitenfläche 3 auf das Element 1 ausgeübt werden, so wird eine Polarisation P aufgrund der senkrechten Druckkraft F,_ auf der x-Fläche pro Flächeneinheit und eine Polarisation P

pro Einheitsfläche aufgrund der Scherkraft auf derselben Oberfläche erzeugt. Die Größe der Polarisation kann durch die folgenden Formeln ausgedrückt werden:

^Έχν ^{= d}H^Pv ' ^cosö

Diese Formeln gelten nur annähernd, jedoch sind sie für praktische Sweeke für Hoohelle SaIs genau, da in diesem Fall die piezö-eiektrieehö Konstaate cL, hinreichend groß im Vergleich mit den anderen pieao-elefetrisehen Konstanten ist, so daß die restlichen G-lieäer vernachlässigt werden könnene

die beiden Kräfte, die aufeinander senkrecht stehen, gleichzeitig in einem beliebigen Verhältnis auf das Element ausgeübt

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werden, so beträgt die G-esamtpolarisation pro Einheitsfläohe, die auf der x-Fläche erzeugt wird, Ρ_χν + Ρ_χ8· Ähnlich wird, wenn der Ausdruck cosG · si'nö negativ wird, was der Pail ist, wenn die Y-Achse auf der anderen Seite der Achse B-B¹ liegt, jedoch noch einen Winkel O hiermit bildet, wodurch der Winkel θ in -Θ verändert wird, die Polarisation P , die durch die Kraft IV hervorgerufen wird, negativ, und die Polarisation,

S '

die auf der x-Oberfläohe erzeugt wird, wird Ρ_χν -^% Ρ_χβ·

ρ ρ

Wenn die Bedingung oos θ »sin O ■ (coa Q - siü Θ) = C, wobei C eine Konstante ist, erfüllt wird, ao läßt sich die Gesamtpolarisation pro Einheitsfläohe ausdrucken durch Ρ_χγ + Ρ_χΒ · = d,., 0(V + £„)» und die Gesamtpolarisation ist damit proportional zu der Summe der beiden Kräfte, die auf das Element 1 ausgeübt werden, wenn Θ. und somit der Ausdruck cos θ · ein θ positiv ist. Ähnlich ist öle Polarisation, die durch den Auedruok Ρ_χν - P_xs = d.,^ C (P_y - P₈) gegeben ist, proportional zu der Differenz zwischen den beiden Kräften, wenn der Winkel Θ, und somit der Ausdruok cos 9 « ein θ negativ ist·

Figur 3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Elementes 1, das Elektroden 4 und 4 besitzt, die an einander gegenüberliegenden x-Pläohen des Elementes befestigt sind. Bit piezoelektrische Spannung, die der Polarisation P„_ + P odtr P_XY - Ρ_χ8 entspricht, kann an den Elektroden 4 und 4 abgeftonmea werden.

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Wenn die Kraft F durch eine oszillierende Vibration erzeugt

wird (Frequenz V = γψ~ > wobei Ic? die Winke !geschwindigkeit ist), so wird die Spannung V, die an einem Belastungswiderstand R erhalten wird, der zwischen die Elektroden 4 und 4 geschaltet ist, gegeben durch Y = jR«uQ, wenn der Strom berechnet wird durch -3-r- Qj wobei die ladung Q gegeben ist durch Q = P_xA, (worin j = , jf -1* A β Fläche jeder der Elektroden 4» £ ist die Dielektrizitätskonstante und a = der senkrechte Abstand zwischen den Elektroden 4 und 4)ο

Die Gesamtpolarisa/fciqn P pro Einheitsfläche beträgt P___ + P__ und somit be läuft sich die Gesamtpolarisation nach.

der obigen Berechnung auf P_v ~ d,, C (F_ +F₀).

In Figur 3 beträgt die elektrische Feldstärke, die sich in der X-Ric
gibt sich

der X-Richtung in dem Kristall aufbaut, E = ~-i— , somit er-

wobei K₄ - - *j

Für eine Druckkraft F_y pro Einheitsfläche ergibt sich

Ϊ = I cos θ ι sin O = FC und für eine Scherkraft F ergibt sidi

= F₈(COS^O - sin Θ) = F_aC und somit ergibt sich insgesamt

_s
^{cos θ sinö} + ^F _s (cos²© - sin²9) = (F_y + F₈)C für

F und F_ zusammen·

V-B

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Aus Figur 3 läßt sich ersehen, daß

Aus den obigen Formeln erhält man ^tOd₁ .ARO (F, +F)

v =—14— '

f A

wobei C» = die Kapazität des Elementes ist,

Daraus ergibt sich abschließend I .

ι

V 1 + (RC

Wie aus der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich ist, ist die Spannung proportional der Summe oder der Differenz der beiden Kräfte pro Flächeneinheit ]?_ und F₀ für den besonderen Fall, daß die Beziehung

ρ p

cos θ · sin θ = + k(cos Q - sin β)

erfüllt ist, wenn die Kräfte F_y und F_g auf das Element 1 einwirken; k bedeutet hierin eine Konstante , die z.B. von den Abmessungen des Bimorphs und der Art der Verbindung mit dem Schreibarm abhängig ist. So ist z.B., wenn k = 1 ist Q *&32°. Allgemein gilt für alle Werte von k 0<θ^45.

Wenn F_T und Έ_& ein Biegedruck bzw. eine Torsionskraft Bind, so gelten de folgenden Formeln

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-Ίο -

Ρ_χ = d₁ . -^- cos θ sin θ

ρ = λ -4-Π Y dx dy(cos²Q - sin²©)-· für die Torsion, χ 14· au Ii ζ

y/ A = a b

Aus den obigen Formeln wird ein Y/inkel erhalten, der von dem näherungsweisen viinkel von 32° verschieden ist, der in dem Fall erhalten wird, daß die Beziehung cos θ sin Ö = (cos θ sin Q) = C gilt. In den oben genannten Formeln beziehen sich die Größen a und b auf die Abmessungen des Kristalls und somit hängt der Wert von Θ, der die Gleichungen erfüllt, von der Form und der Abmessung des Kristalls ab und ist von den oben genannten V/ert verschieden.

Obgleich die obige Beschreibung aus Einfachheitsgründen zur besseren Erläuterung des erfindungsgemäßen Prinzips für den lall gegeben wurde, daß die Polarisation durch die Scherkraft Y_z und die piezo-elektrisehe Spannung aufgrund dieeer Polarisation erzeugt wird, so können beliebige äußere Kräfte in der Ebene senkrecht zu der Y-Achse, und die auf das Element in beliebigen Richtungen wirken·» in zwei Komponenten in der Hichtung von W^ und von IP₀" auf#$spalten werfen· Dementsprechend wirken diese Komponenten i"_v un4 $_Λ ψ£ das Element 1-und rufen dieselbe Polarisation un(|*j|-yi,.fntfprfoiiaisde.piezo^eisktri^ete heryor» wie sa ^^«^^,^3, .^§^«^1^.^ Beispiel besphrie-

ben wurde, wenn der Winkel θ in diesem Fall geeignet gewählt iat. Wenn jedoch äußere Kräfte, wie etwa Biege- und Torsionskräfte P¹ und P'_s (Figur 7) in einem Punkt wirken, der von dem Element 1 getrennt, jedoch hiermit fest verbunden ist,

(wobei ϊ¹' und 1· pro Einheitsfläche der betroffenen Obervs .

fläche berechnet sind), so daß diese entsprechende Kräfte Ί?_ν und P hervorrufen (pro Einheitsfläche derselben Oberfläche), die direkt auf das Element einwirken, wie es bereits beschrieben wurde, so muß der Winkel Q so gewählt werden, daß die er-

skalaren skalaren zeugte Spannung proportional zu der/ Summe oder der/Differenz

der Biege- und Torsionskraft S" und I"_B und nicht proportional

skalaren
der/Summe oder Differenz der Kräfte ϊ¹,. und P_ sind ο Es versteht sich, daß die äußeren Kräfte P'_y und Έ' _B an dem Element auch noch andere Kräfte als P und 3? erzeugen, daß diese anderen Kräfte jedoch keine Polarisation auf den auf den Oberflächen des piezo-elektrischen Elementes angebrachten Elektroden 4a und 4b und 5 ergeben und deshalb für die vorliegenden Zwecke außer acht gelassen werden können.

Im folgenden soll nunmehr der erfindungsgemäße piezo-elektrische Wandler anhand" eines Beispieles, und zwar anhand des piezo-elektrischen Elementes 1 in Pig. 4 näher erläutert werden, aus der eine perspektivische Ansicht eines piezo-elektrischen Körpers 1 zu ersehen ist, der im allgemeinen als ein Bimorph bezeichnet wird, der sioh aus länglichen piezo-elektri-

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sehen Elementen 1 und 1, zusammensetzt. Die Winkel, die durch

a D

die Z-Achse und die Längsachse A-A' jedes der länglichen Elemente 1 und 1. gebildet werden, sind die Winkel θ und Θ', die die oben erwähnten Bedingungen erfüllen. Der Bimorph ist dadurch gebildet, daß die länglichen Elemente 1_& und 1^ aneinander befestigt werden und eine Elektrode 5 zwischen diesen beiden Elementen eingefügt ist. Die voll ausgezogenen Y-Achse und Z-Achse sind die Kristallachsen des Elementes 1 und die

au

gestrichelt gezeichneten Z-Achse und Y-Achse sind die Kristallachsen des Elementes.!, . Mit dem oben genannten Aufbau kann eine piezo-elektrisdhe Spannung, die der Polarisation P_,_ + P entspricht, an den Elektroden 4a und 5 für das .1" le me nt 1 erzeugt werden, während eine piezo-elektrische Spannung, die einer Polarisation P ,, - Ρ_ entspricht, an den Elektroden 4b

XV XS

und 5 erhalten werden kann. Die Elemente 1 und K können mit entsprechenden Winkeln Q und Θ¹ hergestellt werden, die jeweils die Bedingungen P__,_ + P_vc! und P„„ - P_vc5 erfüllen und die so

Xv XS Xv XS ,

hergestellten Elemente werden sodann mit entgegengesetzten Eichtungen aneinander befestigt»

Nunmehr wird ein Ende des Bimorphs in der A-A¹ Achse an einem feststehenden Teil befestigt, während eine äußere Kraft, die aus Zweckmäßigkeitsgründen als die resultierende von zwei unabhängigen äußeren Kräften angesehen werden kann, ein oszillierendes Drehmoment und Vibrationen oder ein Auf- und Niederbiegen des Bimorphs erzeugt, wenn diese äußere Kraft auf das anderes Ende des Bimorphs wirkt, wie es durch die Pfeile in der Zeich-

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nung angedeutet ist« Sodann werden die piezo-elektrischen Elemente 1 und 1^ den Kräften entsprechend P_v und ¥_Q unterworfen, da Drehmomente um die Achse A-A¹ zu Scherspannungen in der Ebene senkrecht zu dieser Achse führen. Dementsprechend wird, wenn die Winkel O und O' so gewählt sind, daß sie die oben angeführten Bedingungen erfüllen, eines der Elemente die Spannung erzeugen, die der Summe der Größen der beiden äußeren Kräfte proportional ist, die als die Kräfte angesehen werden,' die die Biege- und Drehmomente erzeugen, und das andere Element wird die Spannung erzeugen, die der Differenz zwischen den Größen der beiden äußeren Kräfte proportional ist_e

Das oben-erwähnte bimorphartige piezo-elektrische Element 1 kann bei einer Stereoabnahme verwandt werden. Bei der Stereoabnahme bzw. Wiedergabe werden die vertikalen und horizontalen Schwingungen einer Nadel, (wenn die Nadel sich in einer solchen Stellung befindet, daß sie einer im wesentlichen horizontalen Aufzeichnungsrille folgen kann,) gleichzeitig auf das Element 1 gegeben, so daß die Schwingungen auf das piezo-elektrieohe Element 1 als Biege- und Torsionskräfte übertragen werden,wenn angemessene Übertragungseinrichtungen zwischen den Elementen und der Hadel verwandt werden· Im folgenden wird gezeigt wtrden, daß die Elemente 1_& und 1^ Spannungen erzeugen können, die jeweils proportional zu der Summe und der Differenz der vertikalem · und horizontalen Schwingungen sind, wenn die Winkel 0 und ö¹ eo gewählt sind, daß sie die oben erwähnten Bedingungen erfüllen·

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Im folgenden soll eine Abnahmeeinrichtung beschrieben werden, bei· der -die vorliegende Erfindung verwirklicht wurde, die sich für die Wiedergabe von Sohall aus der Rille einer Stereoaufzeichnung eignete Figur 5 zeigt eine Darstellung der Beziehung zwischen einer Rille der Stereoaufzeichnung und einer Hadel eines sogenannten 45-45° Stereosystems, wobei die Rille aus dem linken Rillenteil 7a und dem rechten Rillenteil 7b besteht, die jeweils um 45° in Bezug auf die Oberfläche der Schallplatte geneigt sind. In dem linken und dem rechten Rillenteil sind jeweils die Signale aufgezeichnet, die in den Rillen in Stereoform aufgezeichnet sind. Sine Uadel schwingt, wenn sie durch die Rille geführt -wird, in der vertikalen und horizontalen Richtung»

Pig, 6 zeigt einen Schnitt durch, einen solchen Stereoabnehmer, der gemäß der Erfindung ausgebildet ist. Mit 9 ist ganz allgemein eine Hülse bezeichnet. 11 ist ein röhrenförmiges Isolationsgehauae, das mit einer Abdeckung 10 abgedeckt ist und das eine Öffnung 13 besitst, die mit einem Hohlraum 12 und dem Außenraum in Verbindung

In dem Raum 12 iat ein bimerpa&rtiges piezo-elektrisches.Element 1 gemäß der Erfindung derart angeordnet, daß die z-Oberf llefc· das Bimorphe i» wteen1;Uelie& in der horizontalen Ebene litgt und die A-Jt' AoIiM *H weeWrtXic&tji parallel au der AeI^ dt? Hill·· 9 Teylauft,.4a tem\ffcfgfvojrSnea "die Bimorphe 1 ist •in Joch 14 befestigt* da« $m,wfβentliehen in lorm eines ecnenkligen Dreiecke derart auegebildet is,t, daß der Bimorph

in ein fenster 15 eingesetzt ist, das in dem Joch, ausgebildet ist, und daß das Joch in einer Ebene senkrecht zu der Achse A-A¹ des Bimorph 1 angeordnet ist, wie es in Pig. 7 gezeigt ist. Die Spitze des Jochs 14 hat eine Aussparung 16, die zweckmäßigerweise in Form eines umgekehrten V ausgebildet ist, wie es aus Pig« 7 zu ersehen ist. An dem vorderen Ende des piezoelektrischen Elementes 1 ist ein Halter 17 angebracht, dessen eines Ende an dem Gehäuse 11 befestigt ist, wie es in Figur 6 gezeigt ist β Das bimorphartige piezo-elektrieche Element 1 ist mit Hilfe von Dämpfern 18 aus irgendeinem geeigneten Material gelagert, so daß eine federnde Unterlage für die x-Oberflache des Elementes im wesentlichen in der horizontalen Ebene geschaffen ist; der hintere Dämpfer schafft rückwirkende Kräfte gegenüber solchen Kräften, die durch das Joch 14 ausgeübt werden· Der Halter 17 i 3 * vorzugsweise aus einem Blatt Kunststoff wie etwa Nylon gef-3r*j.gt, das geeignete federnde Eigenschaften aufweist. Der Halter hat ein gabelförmig ausgebildetes Ende, in das das Ende des Bimorph 1 eingesetzt und hieran durch ein geeignetes Bindemittel befestigt ist, wie es in Figur 7 dargestellt ist. Das andere Ende des Halters ist vorzugsweise durch die zwei Teile des Gehäuses 11 gehaltert und wird durch diese zusammengepreßte Am hinteren Ende des Gehäuses 11 sind zwei Verbindungsstecker 19a und 19b vorgesehen, die jeweils mit den Elektroden 4a und 4b des Elementes 1a bzw« 1b über Leitungen 20a und 20b verbunden sind. Die gemeinsame Elektrode 5 des

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'bimorphartigen piezo-elektrischen Elementes 1 ist über eine leitung 21 mit einem leitenden Verbindungsring 22 verbunden, der an dem hinteren Ende des Gehäuses 11 befestigt ist. Die leitung 21 ist mit einer leitung in einem Abnehmerarm verbunden, durch, den ebenfalls leitungen von den Yerbindungssteckern 19a und 19b geführt sind.

An dem unteren Teil des Gehäuses 11 ist ein nadelhalter 22 angebracht, an dem ein Ende einer federnden Stange 24 mit Hilfe eines Bügels 25 und einer Schraube 27 befestigt ist, die durch den Bügel 'hindurchgeführt ist. Das andere Ende der federnden Stange 24 ist mit einer Nadelhalterstange 23 verbunden, die durch das Joch 14 geführt ist. Mit 29 ist ein Dämpfer teeichnet, auf dem die Uadelhalterstange. 23 abgestützt ist. Zwei leicht verschiedene Ausbildungen des Dämpfers 29 sind in den Figuren 6 und 9 gezeigt. Die Hadeltialterstange besteht vorzugsweise aus einem röhrenförmigen Glied, das aus einem verhältnismäßig hartem Metall hergestellt ist, und das einen geringen Durchmesser besitzt»

Die ETadelhalterstange besitzt einen flach ausgebildeten Teil 26, an ihrem freien Ende, an dem eine !Tadel 8 gehalten wird. Die

federnde Stange 24 ist vorzugsweise aus einem federnden Draht wie etwa einer Klavierseite angefertigt, wobei eines ihrer

Enden in die Uadelhalterstange 2.3 eingesetzt und hieran durch

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ein geeignetes Bindemittel befestigt ist.

Der Bügel 25 wird vorzugsweise in Form einer Pfeilspitze ausgebildet und ist an dem leitenden Verbindungsring 22 durch die Schraube 27 befestigt, wie oben bereits erwähnt wurde.

Das Bimorphelement 1 ist in eine Hülse 9, wie oben bereits erwähnt wurde, derart eingebaut, daß ein Element einen Winkel Q von zwischen O⁰ bis 45° zwischen seiner A-A¹ Achse und seiner Z-Achse aufweist, während der entsprechende Yiinkel des anderen Elementes 90°+Q beträgt. In einer Ausführungsform beträgt der Winkel zwischen diesen Achsen 22,5° für ein Element und (90°+22,5°) d.he 112,5° für das andere Element, "i/enn in diesem Fall Vju und V-j-y. die Ausgangs spannungen bezeichnen, die zwischen dem Stift 19a und dem Ring 22 durch die horizontale und vertikale Schwingung der !Tadel für ein Element 1a, und mit V_2H und Vpy die Spannungen für das andere Element 1b bezeichnet werden, dann ergibt eine Y»ahl von θ entsprechend der oben angegebenen Berechnung, daß die Bedingungen Vy_H = V-ryS ^vpH ⁼ ~^2V °^^8r Y- =~V i γ = γ erfüllt sind. Dementsprechend erfüllt ein Bimorph, der durch Kombination zweier ähnlicher piezoelektrischer Elemente mit ihren Rücken gegeneinander gebildet ist, die Bedingungen Y^„ = Vgg und Vjy = -Vpyi dementsprechend erzeugt das Element 1a die Spannuns V_IH - Y^ oder V-^ + Vjy und das andere Element 1b erzeugt die Spannung Τρχτ + Vpy oder ^V2H " ^V2V* ^{Die Na(5el 8} schwingt in der vertikalen und horizon-

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talen Richtung in den Rillen 7 a und 7b, die jeweils um 45° in Bezug auf die Oberfläche der Schallplatte geneigt sind. Das Joch 14 wird durch die Hadelhalterstange 23 bewegt, wodurch, die Bimorphelemente 1 und 1, den Biege- und Torsionskräften durch die Schwingungen unterworfen v/erden, wodurch elektrische Spannungen erzeugt werden, die tfie oben erwähnten Bedingungen des Elementes erfüllen. D.h., wenn sich die Nadel nach links unter 45° zur horizontalen Richtung bewegt, so erzeugen die Elemente 1 und 1, Spannungen von V-g- + V.. y bzw. ?2g "* ^V2V* ^^a J^edocl1 ^^ie Bedingung Vpw ⁼ ^?V Gesteht, ^{s0 er}"~ zeugt das Element 1. aufgrund dieser Bewegung kein Signal.

nur
Ähnlich erzeugt das Element 1, , wenn sich die Nadel nach rechts unter einem Winkel von 45° gegen die Horizontale bewegt, eine resultierende Spannung von Ypw ^{+ 7}O?' ^{und äas} Element 1 ergibt durch diese Bewegung kein Signal··

Di·«« Spannungen können über die Verbindungsstecker 19a, 19b herauegeleitet werden und diese beiden elektrischen Ausgänge ergcbtn somit Stereοsignal®·

Im allgemeintn fcat ein pitso-elektrisches Element, das aus Eooh»ll« S«lz hergestellt ist, eine verhältnismäßig niedrige ÄMp:s*Bs£rec|U#ns (in dey ^rgßfixeriiiuiig. v©n 5060 oder 7000 Ha)

te» «ein·!? fora aljlÄfiHt*-.-*t· ■#· Cttfir»ie1r#-weiift «β zur 7^3?- ^ eineo AbnekJiti-'fli¹» *4r*elDÄ.ii1; 1st» ■ *■'

Bad c

Dies beruht auf seinen physikalischen Eigenschaften. Dementsprechend fehlt einem solchen piezo-elektrischen Element eine gute Frequenzcharakteristik oder eine gute mechanische Erholung, so daß es nicht in befriedigender Weise einem elektrischen Übergangsvorgang folgen kann. Darüberhinaus besitzt Rochelle Salz eine geringe mechanische Härte, so daß es schwierig ist, ein dünnes piezo-elektrisches Element aus Rochelle Salz herzustellen. Dies gilt gleichfalls für die Tatsache, daß es wünschenswert ist, die Innenkapazität zu erhöhen, um die Frequenzcharakteristik zu verbessern. Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, werden Glas- oder Metallplatten 28a und 28b, von denen jede eine Dicke in der Größenordnung von 0,2 bis 1,5 mm z.B. besitzt, und die eine größere. Steifigkeit als die piezo-elektrischen Elemente 1 , 1, aufweisen, jeweils an den

a d

beiden Seitenoberflächen de - Bimorphelemente befestigt, wie es in Figur 10 gezeigt ist^der es wird eine dünne Platte 28 zwischen die Elemente 1 und 1, eingefügt, so daß sie einen festen Bestandteil des Bimorphs bildet, wie es in Figur 11 dargestellt ist.

Durch diese Einrichtungen wird die Steifigkeit des Bimorphe erhöht und die Resonanzfrequenz liegt höher. Nebenbei wird durch einen solchen Aufbau der bedeutende Nachteil des Rochelle Salzes beseitigt, daß dieses Salz nur eine geringe

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mechanische Festigkeit besitzt.

Um die Verschiebung oder Schwingung einer Nadel, die in eine Rille eingebracht ist, die in der Richtung von 45° in Bezug auf die Schallplattenoberfläche eingeschnitten ist, auf die piezo-elektrisehen Elemente durch eine Anordnung zu übertragen, ist es für den Übertragungsmechanismus notwendig, daß dieser dieselbe Festigkeit und Elastizität in Bezug auf die vertikalen und horizontalen Schwingungen in dem g.ewünschten Frequenzband, besitzt. Zu diesem Zweck ist es gleichfalls notwendig, daß die Resonanzfrequenz des Schwingungssystems so gewählt wird, daß sie höher ist für einen höheren Frequenzbereich und daß der mechanische Widerstand des Sj^stems niedriger ist für einen niedrigeren Frequenzbereich.

Darüberhinaus muß der l/bertragungsmechanismus unter denselben Bedingungen arbeiten, wenn darauf vertikale und horizontale εοΐ^ί^μ^βη aufgebracht werden» In diesem Fall müssen unerwünschte Resonanzteile wirksam gedämpft werden. Um die oben genannten Bedingungen zu erfüllen ist die Nadelhalterstange aus einer dünnen Röhre von verhältnismäßig hartem und leichtem Metall wie etwa*Duraluminium hergestellt, wie es bereits oben beschrieben wurde» Die Nadel 8 ist an den flachen Teil 26 der ITadelhalterstange befestigt.

«00009/00-3-3

Klaviersaltendraht wird als federnder Stab 24 verwandt, der mit dem anderen Ende der Hadelhalterstange 23 verbunden ist ο Um die Resonanzfrequenz des so aufgebauten ITadelhaltersysterne zu erhöhen, ist die nadelhalterstange 23 verkürzt. Die Resonanzfrequenz des liadelhaltersystems wird sodann höher aufgrund der großen Festigkeit und des geringen Gewichts des iietallstabes, während der mechanische Widerstand des Schwingungssystems für den unteren Frequenzbereich aufgrund des geringen Durchmessers des federnden Stabes 2*{, vorzugsweise des Klaviersaitendrahtes, verringert ist, der mit der Hadelhalterstange verbunden ist.

üarüberhinaus kann die !Frequenzcharakteristik auch dadurch eingestellt werden, daß die Verbindungsstelle der Hadelhalterstange 23 und des Jochs 14 verändert wird ο Der gewünschte Teil des Jochs 14 kann längs und quer gepreßt und verformt werden, um die Schwingungsart des verformten 'Teils zu ändern.

zu diesem Zweck bekanntes Piezo-Element in einer Hülse besitzt keinen Halter 17, wie er in den Figuren 6 und 7 gezeigt is"t. Dementsprechend neigt das freie Ende des Elementes, wenn die Verschiebung oder Schwingung der Nadel 8 durch die Schallrille auf das piezo-elektrische Element über das Joch 14 übertragen wird, dazu, zu schwingen, indem es der horizontalen Bewegung der Nadel folgt. Aus diesem Grund kann eine Torsions-

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- "22 -

bewegung nicht gut übertragen werden und es wird keine gewünschte treue elektrische Wiedergabe erreichte

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch das freie Ende des Elementes 1 durch den Halter 17 unter einer bestimmten Spannung gehalten, wobei der Halter an einem gewünschten Teil des G-ehäuses befestigt ist, so daß das Element 1 nicht dazu neigt, beliebig entsprechend der horizontalen Bewegung der Fadel zu schwingen» Dementsprechend wird die Torsionsbewegung, die um die Achse des Halters auftritt, getreu auf das Element übertragen» Dementsprechend kann der Fachteil einer oben erwähnten, gewöhnlichen Hülse durch die vorliegende Erfindung beseitigt werden. V/eiterhin kann die Wiedergabe von höheren Frequenzen verbeasert werden, da das Material so gewählt werden kann, daß es eine geeignete Härte, Pederungseigenschaften und !Bremswirkung besitzt. I¹Ur den Halter 17 kann ein Material wie etwa eine E'yIonplatte verwandt werden»

Die Erfindung wurde oben hauptsächlich anhand eines Bimorphs beschrieben, der als Abnehmer verwendbar ist, jedoch ibt es natürlich offensiciitlich, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung ebenso als Schneideeinrichtung verwandt werden kann, bei der elektrische Signale, die auf einen Bimorph gegeben werden, in entsprechende mechanische Schwingungen umgewandelt werden»

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Für einen Faohmann ist es weiterhin ersichtlich, daß ein solcher Bimorph und ein einzelnes Element in einer Vorrichtung verwandt werden können, die eine elektro-mechanische Umwandlung in der !Form einer Matritze vornehmen kann.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, wird der ?/inkel θ so gewählt, daß die Ausgangsspannung, die durch das piezoelektrische Element erzeugt wird, proportional der Summe oder der Differenz der beiden äußeren Kräfte ist, d.h. der Winkel θ ist so gewählt, daß die Ausgangsspannung proportional zu (q + r) oder (q - r) und gleich den Spannungen n(q. + r) bzw«, n(q - r) ist, worin q und r die beiden äußeren Kräfte darstellen und η eine obertragungskonstante in bezug auf die Kraft und die Spannung bedeutet«

Allgemein wird die Spannung n(q +^r) oder n(q -.^r) erhalten, wobei J^ eine Proportionalitätskonatante. zwischen den Spannungen bezeichnet, die durch die Kräfte q und r erzeugt werden. Wenn von den beiden äußeren Kräften gesprochen wird, so bedeuten diese nicht nur die senkrechte Kraft ϊ¹ und die Scherkraft T?

die auf das Element wirken, sondern gleichfalls auch zwei Kräfte, die die Komponenten-Kräfte einer Kraft sind, die auf das Element wirkt und die an der Stelle yon F__ und P steht. Wenn

v S

zwei solche Kräfte auf das Element wirken, so wird eine gangsspannung erzeugt, die proportional der Summe oder der Differenz der äußeren Kräfte ist.

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Claims

Patentansprüche

1. Piezo-elektrischer Wandler mit einem piezo-elektrischen Kristallelement, dadurch gekennzeichnet, daß dieses piezoelektrische Kristallelement in einer Richtung aus einem Kristall geschnitten oder in einer Richtung wachsen gelassen wird, die einen Winkel Q mit der Z-Achse des piezo-elektrischen Kristalls bildet, wobei der Winkel θ aus der G-leichung

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K cos 9 sin 9 = cos Q - sin θ bestimmt wird, wobei K eine Konstante ist, wodurch dieses piezo-elektrische Kristallelement Spannungen in Abhängigkeit von Torsions- und Biegekräften erzeugt, die auf dieses piezo-elektrische Kristallelement ausgeübt werden»

Piezo-elektrischer Wandler mit zwei piezo-elektrischen Elementen die auf Biege- und Torsionskräfte ansprechen, die auf dieses piezo-elektrische Element ausgeübt werden und die mit jeweils einer Oberfläche aneinander befestigt sind, mit wenigstens drei Elektroden, von denen je eine zwischen den aneinander anliegenden Überflächen der Elemente und an den hierzu gegenüberliegenden Oberflächen jedes der piezo-elektrischen Elemente angebracht ist, mit einer Halterung zum Haltern eines Endes dieser piezo-elektrischen Elemente^ mit einer Führungseinrichtung mit einer !Tadel,

die vertikal und horizontal schwingen kann, wenn diese ITadel einer Aufzeichnungsrille folgt, wobei diese führungseinrichtung mit dem anderen iCnde der piezo-elektrischen iilemente verbunden ist, wodurch Biege- und !Torsionskräfte hierauf ausgeübt werden können, dadurch gekennzeichnet, daß jedes dieser piezo-elektriüchen Elemente dadurch gebildet ist, daß diese piezo-elektrischen ICristallelemente in einer !Richtung aus einera IZristall geschnitten oder in einer Richtung wachsen gelassen worden sind, die um einen Kinkel θ von der !.-Achse dieses Kristalls zu dar X-Achse des Kristalls gedreht ist, wobei der Kinkel θ aus der G-leichung K cos θ sin θ

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= cos Q - sin Ö bestimmt wird, worin K eine Konstante isi, und daß-die -^ristallachsen des piezo-elektrischen Elementes so angeordnet sind, dali eines dieser piezo-elektrischen Elemente eine erste Spannung erzeugt, die proportional der Summe der amplituden der vertikalen und horizontalen Schwingungen der Hadel ist und daß das andere dieser geschichteten piezoelektrischen iileraente eine zweite Spannung erzeugt, die proportional der Differenz der Amplituden der vertikalen und horizontalen schwingungen der l^adel ist.

β Piezo-elektrischer 'Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste S annung proportional der Summe dieser beiden Spannungen ist, von denen die eine proportional zu den Amplituden der vertikalen Schwingungen und die andere

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proportional zu den Amplituden der horizontalen Schwingungen 'ist Und wobei die zweite Spannung proportional zu.der Differenz dieser beiden Spannungen ist«

Piezo-elektrischer Wandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch
gekennzeichnet, daß jedea der piezo-elektrischen Elemente
die lorm einer langgestreckten Platte von rechteckigem Querschnitt besitzt, die so geschnitten ist, daß wenigstens eine optische Achse hiervon schräg zu der Längsachse liegto

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