DE1447995A1

DE1447995A1 - Elektromechanischer Wandler

Info

Publication number: DE1447995A1
Application number: DE1965E0030753
Authority: DE
Inventors: Wilner Leslie Bruce
Original assignee: Endevco Corp
Current assignee: Meggitt Orange County Inc
Priority date: 1964-05-04
Filing date: 1965-12-29
Publication date: 1968-11-21
Also published as: GB1111133A; DE1447995B2; GB1111134A; DE1447995C3; US3501732A; GB1137889A; DE1698644A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen bei elektromechanischen Wandlern oder Übertragern, und sie betrifft insbesondere Wandler, bei denen ein Piezowiderstandselement dazu dient, Schwingungen in elektrische Signale zu verwandeln. Die Erfindung läßt sich insbesondere bei Tonabnehmern für Plattenspieler, bei Mikrophonen sowie bei Beschleunigungsmessern anwenden. Im Hinblick auf die -ßeudeutung der Anwendung der Erfindung bei Plattenspielern wird die Erfindung in erster Linie bezüglich dieses Anwendungsfalls beschrieben.

Bis jetzt werden bei Tonabnehmern für Plattenspieler gewöhnlich elektromechanische V/andler verwendet, deren Wirkungsweise auf piezoelektrischen und elektromagnetischen Effekten beruht. Bei einem piezoelektrischen Wandler bewirkt die Bewegung der Hadel des Tonabnehmers in der Rille einer Schallplatte, daß ein Druck auf ein piezoelektrisches Element aufgebracht wird, das dann ein elektrisches Signal erzeugt, welches bezüglich seiner Amplitude und Frequenz entsprechend den Änderungen der

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Form der Wellen der Schallplattenrille variiert. Bei elektro- . magnetischen Tonabnehmern werden ähnliche Signale durch die Bewegung eines ferroinagnetischen Elements erzeugt, bei dem es sich gewöhnlich um ein Element mit "weichen" ferromagnetischen Eigenschaften handelt, wobei der magnetische Widerstand eines magnetischen Leitungswegs geändert wird. Piezoelektrische Wandlerelemente bilden kapazitive Elemente und von hohem Widerstand. Aus diesem Grund sind solche Elemente am besten geeignet, in Verbindung mit Vakuumröhrenschaltungen verwendet zu werden. Elektromagnetische Tonabnehmer zeige eine optimale Empfindlichkeit, wenn ihre Signale einer Last von hohem Widerstand zugeführt werden. Aus diesem Grund werden auch solche Tonabnehmer am zweckmäßigsten in Verbindung mit Vakuumröhrenschaltungen benutzt. Bekanntlich ist jedoch die Empfindlichkeit solcher Wandler gering und ihr !Frequenzgang ist mehr oder weniger regellos. Wenn optimale Ergebnisse erzielt werden sollen, verwendet man Wandler der beiden zuletzt genannten Arten gewöhnlich in Verbindung mit einem Vorverstärker, der dazu dient, das schwache durch den Wandler erzeugte Signal zu verstärken und eine Anpassung des elektrischen Widerstandes zwischen dem Tonabnehmer oder Wandlerelement und dem elektrischen Verstärker zu bewirken, der dazu dient, einen Lautsprecher zu betreiben, mittels dessen die ursprünglich durch die Rille der Schallplatte festgehaltenen Töne wiedergegeben werden.

Bei den jetzt allgemein verwendeten piezoelektrischen bzw· elektromagnetischen Tonabnehmern ergibt sich der Nachteil, daß diese Tonabnehmer bei niedrigen i'requenzen eine geringe Empfindlichkeit haben. Infolgedessen ist eine Basiskompensation bei -

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dem Verstärker erforderlich, der zwischen dem_Tonabnehmer und dem Lautsprecher verwendet wird. Ein weiterer Nachteil der beiden genannten Arten von wandlern, besteht darin, daß die gewöhnlich verwendeten Vorverstärker zur Entstehung von Geräuschen führen, die zusätzlich zu den Geräuschen entstehen, welche auf die Schallplatte selbst oder das vmndlerelement zurückzuführen sind.

Ferner wird bei beiden erwähnten Systemen die elektrische Energie, die bei der Einwirkung der Schallplatte auf den Tonabnehmer erzeugt wird, durch die Fähigkeit des piezoelektrischen oder des elektromagnetischen Elements begrenzt, elektrische Signale in Abhängigkeit von mechanischen Bewegungen seiner !'eile zu erzeugen.

Ein Ziel der Erfindung besteht nunmehr darin, ein verbessertes wandlerelement für die Y/iedergabe von Schallaufzeichnungen Vorzusehen, das geeignet ist, am Tonabnehmerkopf selbst eine elektrische Energiemenge zu erzeugen, die größer ist, als die Energiemenge, welche mit Hilfe·der jetzt gebräuchlichen piezoelektrischen oder elektromagnetischen Geber erzeugt werden kann.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Tonabnehmers, der sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Frequenzen eine hohe Empfindlichkeit besitzt, so daß es in geringerem Ausmaß erforderlich ist, eine Basisverstärkung vorzusehen, um die geringe Frequenzempfindlichkeit des Tonabnehniers zu kompensieren.

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Ferner sieht, die Erfindung einenTonabnehmer vor, bei dem auf die Verwendung eines Vorverstärkers verzichtet werden kann«

-, Weiterhin sieht die....Erfindung einen Tonabnehmer .vor*· -der sich mit geringenliosten-herstellen läßt» so-daß sich die' ' -'-Gesamtkqsten des. Tonabnehmers und -des,Verstärkers für einen ·" Plattenspieler .verringern. ■;-,.. -.,.:· .,··;:- ;. . ;, ...---■■' ■■■-." - -

" Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Tonabnehmer vorzusehen, "der einen geringen elektrischen Wider— stand' besitztI so daß er unmittelbar mit einem Verstärker von geringem Eingängswiderstand verbunden werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Wandler ist ein elektrisch empfindliches oder piezoempfindliches.Aggregat vorgesehen, das ein steifes Piezowiderstandseiement umfaßt, welches mit zwei Stützarmen verbunden ist, die aneinander angelenkt sind, so daß eine Hebelübersetzung zur Wirkung kommt_? damit eine auf das Ende eines Arms aufgebrachte Kraft eine verstärkte Kraft auf· das Piezowiderstandselement aufbringt, um die Beanspruchung des Piezowiderstandselements zu steigern. Im folgenden wird unter einem elektrisch empfindlichen bzw. einem druckempfindlichen Element ein Element verstanden, das eine meßbare oder nachweisbare elektrische Eigenschaft besitzt, deren Größe sich in Abhängigkeit von der mechanischen Beanspruchung des Elements ändert. Einer der Arme dreht" sich hierbei gegenüber dem anderen Arm um ein die Arme verbindendes Gelenk. Somit ist ein Basisteil . vorgesehen, das zwei gelenkig verbundene Arme umfaßt, welche relative Winkelbewegungen um das Gelenk ausführen können, um eine Beanspruchung des Piezowiderstandselements zu bewirken,'

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dessen Enden starr mit den zugehörigen Armen verbunden sind. Bei diesem Wandler fließt ein elektrischer Strom durch das Piezowiderstandselement, so daß eine Energiequelle vorhanden ist, und daß es nicht erforderlich ist, ausschließlich von der durch die umlaufende Schallplatte zugeführten mechanischen Energie Gebrauch zu machen, um die benötigte elektrische Energie am Ausgang des Wandlers verfügbar zu machen. Die Stärke oder Amplitude dieses Stroms wird in Abhängigkeit von der Beanspruchung des jiiezowiderstandselements und damit auch entsprechend der Bewegung des Endes desjenigen Arms modifiziert, auf den die Antriebskraft wirkt. Ein solches Wandlerelement kann mit sehr kleinen Abmessungen hergestellt und daher leicht in eine Tonabnehmerpatrone eingebaut werden. Das elektrisch empfindliche Element ist so ausgebildet, daß das Gelenk im Vergleich zu dem ihm zugeordneten Piezowiderstandselements eine so niedrige Torsionskonstante aufweist, daß die durch das Gelenk eingeführte Torsionskonstante keine wesentliche Verringerung der Beanspruchung des Piezowiderstandselements bewirkt, wenn das Basisteil an dem Gelenk durchgebogen wird.

Wie im folgenden näher ausgeführt, sind bei dem erfindungsgemäßen Wandler zahlreiche weitere Merkmale vorgesehen, um das Gewicht, die Abmessungen und die Herstellungskosten möglichst niedrig zu halten und eine hohe Betriebssicherheit zu gewährleisten·

Die Erfindung läßt sich nicht nur bei Tonabnehmern für Schallplatten, sondern auch bei anderen Arten von Vorrichtungen anwenden, die dazu dienen, Verlagerungen, Bewegungen und Kräfte

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der verschiedensten Art nachzuweisen und zu messen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt perspektivisch einen Plattenspieler mit einem Tonabnehmeraggregat, das mit Verstärkern und Lautsprechern verbunden ist.

fig. 2 ist ein vergrößerter Längsschnitt durch den Tonabnehmerkopf nach fig.- 1.

fig. 2A ist ein Teilschnitt längs der Linie 2A-2A in fig. 2.

fig. 3 ist ein Schnitt längs der Linie 3-3 in fig. 2 und läßt die Lage der beiden elektrisch empfindlichen Aggregate gegenüber der Nadel des Tonabnehmers erkennen.

fig. 4 zeigt perspektivisch ein erfindungsgemäßes Piezowiderstandselement.

fig. 5 ist eine perspektivische Darstellung eines elektrisch empfindlichen Aggregats mit einem fadenförmigen Piezowiderstandselement.

fig. 6 ähnelt fig. 5, zeigt jedoch ein Piezowiderstandselement in form von zwei durch einen Abstand getrennten Abschnitten, die durch eine Eulersche Säule miteinander verbunden sind. .

fig, 7 zeigt in einem Schaltbild, auf welche »»eise die Anordnung nach fig. 5 mit einem Tönabnehmer und einem Verstärker

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verbunden wird.

- Fig*'erzeigt "perspektivisch zwei miteinander verbundene Piezowiderstähetselemente, die jeweils dem in Pig. 5 gezeigten Element ähneln und Rücken an Rücken miteinander verbunden sind, um bei einem !Beschleunigungsmesser verwendet werden zu können.

Pig. 9 zeigt in einem Schaltbild, auf welche »/eise die Anordnung nach Pig. 8 in Verbindung mit einem Verstärker bei einem Beschleunigungsmesser verwendet werden kann.

Pig. 10 zeigt perpektiviseh einen weiteren.erfindungsgemäßen Beschleunigungsmesser, .

Pig. 11 zeigt die Schaltung eines Registriersysterns für die Anordnung nach Pig. 10.

Pig. 12 ist eine perspektivische Darstellung eines Piezowiderstandselements nach Pig. 10.

Pig. 13 veranschaulicht in einer graphischen Darstellung die Änderung der Streckgrenze eines dünnen Siliziumstabes in Abhängigkeit von der Querschnittsfläche.

In'Pig. 1 und 2 erkennt man einen Plattenspieler mit einem Tonabnehmeraggregat 10 zum Wiedergeben von Signalen, die in Porm mechanischer Wellen der spiralförmigen Rille einer Schallplatte '12 aufgezeichnet worden sind. Um die Töne wiederzugeben, wird die Schallplatte 12 unterhalb des Tonabnehmeraggregats mit Hilfe eines durch einen Motor angetriebenen Plattentellers 14 gedreht. Der Tonabnehmer 10 umfaßt einen ' Tonarm^16, der an einem Ende bei 18 schwenkbar gelagert ist

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und an seinem anderen Ende 22 eine wandlerpatrone 20 trägt. Diese Wandlerpatrone umfaßt zwei noch zu beschreibende elek- , tromechanische Wandleraggregate zum Umwandeln der v/ellen der Schallrille in elektrische Wellen, welche die ursprünglich auf der Schallplatte aufgezeichneten Töne repräsentieren. . _:

Gremäß. Pig.· 2-.meist die Patrone 20 im^; vorliegenden vier elektrische. Anschlüsse 24,24 und 26,26 auf, die an einem' Endender Patrone Borgesehe» sind und in ein Kupplungsstück 28 eingeführt werden können:, das auf dem freien Ende 22 des !Donarms 10- angeordnet ist. Eine iiadel 30 ist auf der Patrone 20 elastisch gelagert:und kann--den mechanischen Wellen der Schallrille folgen, um elektrische Signale zu erzeugen, die über die beiden Paare von Anschlüssen 24,24 und 26,26 und sich durch den Tonarm 10 erstreckende Leitungen elektrischen Schaltungen 32,32 und Leutsprechern 34,34 zugeführt werden. Als Ausführungsbeispiel ist im vorliegenden Pail eine Tonabnehmerpatrone 2Ό dargestellt, die geeignet ist, Töne einer stereophonischen Schallplatte in zwei Kanälen, und zwar einem rechten Kanal und einem linken Kanal, wiederzugeben. , -. . ·

Die Patrone 20 ähnelt äußerlich einer der bis jetzt gebräuchlichen Tonabnehmerpatronen. Sie umfaßt zwei elektrisch empfindliche Aggregate. 100,100, die mit der ffaäel 30 so gekuppelt sind, daß die Elemente 100,100 elektrische Signale in Abhängigkeit von den Bewegungen der Jtfadel 30 erzeugen. Diese elektrischen Sigaale erscheinen gemäß Pig, 1 und 2 an den beiden Paaren von Patronenanschlüssen 24,24 und 26,26. Genauer gesagt sind die beiden elektrisch empfindlichen Aggregate 100,100 in Form flacher

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atabförmiger Elemente ausgebildet, die in zueinander rechtwinkligen Ebenen angeordnet sind und jeweils einen Winkel von 45 mit einer senkrechten Ebene bilden, welch letztere rechtwinklig zu der waagerechten Ebene verläuft, in der sich die Schallplatte unterhalb der Patrone dreht. Diese Anordnung wird gewählt, damit eines der Aggregate Signale erzeugen kann, die den mechanischen Wellen der geneigten einen Seite der Schallrille entsprechen, und daß das andere Aggregat Signale erzeugen kann, welche den mechanischen Wellungen der geneigten anderen Seite der Schallrille entsprechen. Die eine Seite der Schallrille erzeugt !Töne, die einer bestimmten Zone zugeordnet sind, während die andere Fläche Töne wiedergibt, die einer anderen Zone zugeordnet sind.

Die beiden Aggregate 100,100 sind mit enger Passung in Schlitze 102,102 eingebaut, die einen winkel von 90° einschließen und in zwei in der Patrone auf geeignete V/eise unterstützten Einbettungsklötzen 104,104 ausgebildet sind. Zwei elektrische Anschlüsse 24,24 stellen Verbindungen zu noch zu beschreibenden Elektroden auf entgegengesetzt gerichteten Flächen eines der Aggregate her, während die beiden anderen elektrischen Anschlüsse 26,26 Verbindungen zu entsprechenden Elektroden auf entgegengesetzt gerichteten Flächen des anderen Aggregats herstellen. Die so eingebetteten Enden der empfindlichen Aggregate sind relativ ortsfest angeordnet, so daß sie praktisch in dem Einbettungsklotzbschwenkbar gelagert sind.

Die anderen Enden der empfindlichen Aggregate sind mit enger Passung in Schlitze eines Bügel- oder Sattelteils 106 aus

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Gummi eingebaut. Das Bügelteil 106 ist auf seiner Unterseitemit einer geneigten Hut 108 versehen.

Die Tonabnehmernadel 30 ist am freien Ende eines Nadelarms 36 von kreisrundem Querschnitt befestigt, der mit enger Passung in die Hut 108 des Bügelteils 106 eingebaut ist. Das von der !Nadel 30 abgewandte Ende 110 des ^adelarms ist in eine elastische Unterstützung 112 aus Gummi eingebettet, die ein Universalgelenk bildet, um das sich der Uadelarm unter der Wirkung der gewellten Schallrille drehen kann, wenn sich die Schallrille unterhalb der Badel bewegt.

Das den ladelarm 36, das Bügelteil 106 und das Gelenk 112 umfassende Teilaggregat wird in der Patrone durch eine Klammer 114 in seiner Lage gehalten.

Gemäß der Erfindung wird ein verbesserter, elektrisch ansprechender Wandler mit einem Piezowiderstandselement vorgesehen, der es ermöglicht, einfachere und weniger kostspielige ^verstärker zu verwenden, als sie sich gegenwärtig in Gebrauch befinden, wobei ferner die Wirkungsweise eines Plattenspielers auch noch auf andere Weise verbessert wird.

In Pig. 5 ist eine Ausbildungsform eines erfindungsgemäßen Aggregats 100 dargestellt, die einen Piezowiderstandsfaden 120 umfaßt, welcher im vorliegenden Pail einen gleichmäßigen kreisrunden Querschnitt hat und an getrennten Armen 122 und 124 eines mit einem Schlitz versehenen Tragorgans 126 befestigt ist. Ber Spalt oder Querschlitz 136 zwischen den Armen 122 und 124 und damit auch die freie Länge des Badens 120nzwischen den

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Armen ist so schmal, daß der Faden im Bereich der in Präge kommenden Bergungen "gedehnt und zusammengedrückt werden kann, ohne auszuknicken. Bei der zweckmäßigsten Anordnung nach der ,Erfindung sind die Abmessungen des Fadens so gewählt, daß sich der Faden bei jeder möglichen Druckbeanspruchung nicht ausknicken läßt; mit anderen Worten, die Abmessungen sind so gewählt, daß sich der freie oder aktive Teil des Fadens, der Beanspruchungen ausgesetzt ist, wie eine Eulersehe Säule verhält.

Das Tragorgän öder Basisteil 126 des Aggregats 10ΰ nach Fig.' 5- besteht aus einem geschichteten Flachmaterial, das einen zentralen Körper bzw. eine Unterlage 144 aus isolierendem Material umfaßt, die zwischen zwei Schichten oder Blättern 130 und 132 aus leitfähigem Material, z.B. aus Kupfer, angeordnet' ist. Bei einer zweckmäßigen Ausbildungsform hat das Tragorgan eine Länge von etwa 10 mm, eine Breite von etwa 1,5 mm und eine Dicke von etwa 0,5 mm, und der Durchmesser des Fadens 120 beträgt weniger als etwa 0,25 mm.

Das Tragorgan ist an seiner Oberseite in der Längsrichtung mit einer Nut versehen, deren Tiefe ausreicht, um den Faden 120 aufzunehmen und seine Enden abzustützen. Zu diesem Zweck entsprechen Tiefe und Breite der Nut 134 etwa dem Durchmesser oder einer anderen mittleren Querabmessung des Fadens 120,

Um die beiden Tragarme 122 und 124 gegeneinander-abzugrenzen, ist das Tragorgan 126 in der Mitte zwischen seinen Enden mit einem in der Querrichtung verlaufenden Schlitz 136 von größerer Tiefe versehen. Die Hut 134 und der Schlitz oder Spalt "" - 136 unterteilen das obere Metallblatt 132 in vier getrennte

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Abschnitte 132a, 132b, 132c und 132d. Das untere Metallblatt 130 bleibt dagegen unversehrt. Bei der Herstellung dieses Aggregats wird aus noch zu erläuternden Gründen die Nut 136 so ausgebildet, daß an dieser Stelle die Dicke der Unterlage 124 möglichst weitgehend verringert wird» Die Breite des Schlitzes 136 beträgt in .Richtung der Längsachse des Stabes etwa 0,25 mm. Die Kupferblätter 130 und.132 haben eine Dicke im Bereich von etwa 0,0125 bis etwa 0,075 mm, und im vorliegenden Fall beträgt die Dicke nur etwa 0,033 mm.

Der Querschlitz wird mit Hilfe geeigneter mechanischer Mittel, ZoB. einer Diamantsäge, eingeschnitten. Bei dem isolierenden Material«, das die Unterlage bzw. die mittlere Schicht der geschichteten Anordnung bildet, handelt es sich verzugsweise um eine Platte aus Epoxyharz mit einer Glasfaserbasis, die bei den anzuwendenden Löttemperaturen keine Verformung erleidet und nicht zerstört wird. Derartige geschichtete Erzeugnisse werden auf dem Gebiet der Elektronik allgemein bei gedruckten Schaltungen verwendet.

m Der Faden 120, der eine Gesamtlänge von etwa 2,5 bis etwa 5,0 mm haben kann, wird fest in die Längsnut 134 eingebautj zu diesem Zweck werden die Enden der Abschnitte 132a bis 132S des oberen Metallblatts 132 mit den Enden des Fadens verlötet« Gewöhnlich verwendet man hierbei Indiumlot, da es eine niedrige Löttemperatur besitzt. Ein Ende 142 des Stabs wird mit dem

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metallischen Material überzogen, damit eine elektrische Verbindung zwischen den oberen Metallsegmenten 132c und 132d an diesem Ende des Stabes 126

und dem unteren Metallblatt 130

entsteht. Um die Festigkeit der Anordnung zu erhöhen,,wird der Faden in den Nuten zusätzlich mit Hilfe eines Epoxyharzkitts abgestützt·

Die beiden Abschnitte 132a und 132b am Ende 144 des Tragstabs 126, das von dem mit der Verbindung 138 versehenen Ende 142 abgewandt ist, bilden einen elektrischen Anschluß bzw. eine Elektrode 133, und ein Ende des unteren Metallblatts 130 bildet an dem Ende 144 einen zweiten elektrischen Anschluß bzw. eine Elektrode 135 des Aggregats. Die beiden Anschlüsse 133 und 135 sind somit leitend mit den beiden Enden des Fadens 120 verbunden. Auf die beschriebene Weise läßt sich ein elektrisch empfindliches Aggregat 100 herstellen, das außerordnetlich wenig Baum beansprucht, von einfacher und robuster Konstruktion ist und zwei gegeneinander schwenkbare Arme 122 und 124 umfaßt, welche auf der Unterseite durch ein Kardangelenk bzw. ein Blattfedergelenk 140 miteinander verbunden sind, wobei ein Piezowider3tandselement 120 vorgesehen ist, das entsprechend der relativen Drehung der beiden Arme beansprucht wird.

Der Tragstab 126 bildet praktisch einen Träger,+der in der Mitte so geschwächt ist, daß ein zentrales Gelenk vorhanden ist. Dieser Träger wirkt beim Gebrauch des Tonabnehmers als Kragträger,

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Pig. 6 zeigt eine weitere Ausbildungsform der Erfindung,-bei der keine Längsnut 134 an der Oberseite des Aggregats vorgesehen ist, Abgesehen vom Fehlen der Längsnut 134 ähnelt der Tragstab 126 nach Mg. 6 im wesentlichen demjenigen nach Pig. Gemäß Pig. 6 ist die obere Elektrode 132 in der Querrichtung durch einen Schlitz 136 in zwei Abschnitte 132e und 132f unterteilt. Bei der Anordnung nach.Pig. 6 hat das Piezowiderstandselement eine flache ü-estalt und die üinrißform einer Sanduhr, d.h. es weist zwischen zwei flachen Abschnitten 154 und 156 einen schmaleren Verbindungsabschnitt auf. Die Abschnitte 154 und 156 sind mit den Metallsegmenten 132e und 132f auf beiden Seiten des Querschlitzes 136 verlötet.

Ein solches Piezowiderstandselement 150 kann aus einem flachen Piezowiderstandsmaterial mit einer Dicke von etwa 0,125 mm und einer Länge von etwa 1,9 mm hergestellt werden. Der schmalere Verbindungsabschnitt wird in der V/eise hergestellt, das man in die Längskanten des Materials Schlitze 158, 158 einätzt, deren .Breite etwa 0,2 mm beträgt, und daß man sowohl in die Oberseite als auch in die Unterseite des Materials Hüten 160,160 einätzt. Der schmalere Verbindungsabschnitt, der hierbei eine Eulersche Säule 159 bildet, hat an seiner dünnsten Stelle in waagerechter Richtung eine Dicke von etwa 0,18 mm und in senkrechter Richtung eine Dicke von etwa 0,025 mm. Hierbei ist die Querschnittsform nicht rechteckig, sondern mehr oder weniger oval. Ein piezoelektrisches Element dieser Art ist mit weiteren Einzelheiten in der U.S.A.-Patentanmeldung 364 673 vom 4. Mai 1964 beschrieben.

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Jedes der an Hand von Fig. 5 und 6 beschriebenen elektrisch empfindlichen Aggregate kann in der Patrone nach Fig. 1 und 2 verwendet werden. In jedem Fall wird einer der beiden Patronenanschlüsse 24,24 durch einen Einbettungsklotz 104 gegen die obere Elektrode 133 gedrückt, während der andere Anschluß gegen die untere Elektrode 135 des in diesen Klotz eingebetteten Elements 100 gedrückt wird, -^as die Elektroden 133 und 135 tragende Ende 144 des Aggregats wird somit in dem Einbettungsklotz 104 zwischen den Elektroden verankert. Das von dem Einbettungsklotz abgewandte andere Ende des Elements 100 kann sich ungehindert um das Kardangelenk 140 drehen, wie es in Fig. 5 bei A durch einen gekrümmten Pfeil angedeutet ist. Bei einer solchen Drehung tritt eine verringerte Bewegung zwischen den Oberkanten des Querschlitzes 136 auf, wobei das zwischen diesen Oberkanten angeordnete Piezowiderstandselement dadurch beansprucht wird, daß es abwechselnd gedehnt und zusammengedrückt wird, wenn das freie Ende 142 des Elements 100 unter dem Einfluß der in die Rille einer sich drehenden Schallplatte eingreifenden NaIeI Schwingungen ausführt.

Ein hoher Wirkungsgrad der Energieerzeugung wird durch die Verwendung eines Kardangelenks erzielt, das im Vergleich zu dem Piezowiderstandselement eine sehr kleine Torsionskonstante aufweist, Hiermit ist gemeint, daß die Kraft, die erforderlich ist, um eine bestimmte Verlagerung des freien Endes 142 herbeizuführen, wenn das Piezowiderstandselement nicht vorhanden wäre, im Vergleich zu der Kraft sehr klein sein würde, die erforderlich ist, um die gleiche Verlagerung in dem Fall herbeizuführen,

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daß sich das Piezowiderstandselement an Ort und Stelle befindet. Zu diesem Zweck wird im wesentlichen das gesamte Unterlagenmaterial, das den Kern der geschichtetem Anordnung bildet, an dem Gelenk entfernt, so daß im wesentlichen nur noch das dünne Metallblatt 130 zurückbleibt, das. die beiden Tragklötze 122 und 12.4..verbindet.= Die_;Drehachse ist- praktisch' an dem Gelenk HO selbst angeordnet* so; daß .an dieser Stelle nur eine sehr geringe Torsionskonstante zur Wirkung kommt.'In der -Praxis kann, Torsionskonstante, die etwas größer ist als die durch das Kupferblatt 130 selbst eingeführte, ein Widerstand entgegengesetzt werden, z.B. dadurch, das man eine kleine Menge des Unterlagen— materials am Boden des Querschlitzes beläßt, so daß. dieses Material das Kardangelenk in einem gewissen Ausmaß unterstützt, wobei immer noch die Torsionskonstante des Kardangelenks um die Drehachse 140 auf einem Betrag von weniger als etwa 5$ der Torsionskonstante des Piezowiderstandselements selbst gehalten wird. Das Kardangelenk verursacht bei dem elektrisch empfindlichen Aggregat nur eine sehr geringe Steifigkeit um die JSchwingungsachse X-X, und es verleiht dem Aggregat eine erhebliche Starrheit um die neutrale Achse Z-Z und eine mittlere Steifigkeit gegen eine Durchbiegung um die Achse Y-Y.

Das freie Ende 142 des Aggregats schwingt um eine Schwingachse X-X, die parallel zu dem^Schlitz 156 verläuft, so daß das Piezowiderstandselement längs einer zur Längsachse der Unterstützung parallelen Beanspruchuögsachse gedehnt und zusammengedrückt wird. Jedoch kann nur eine sehr geringe Bewegung um die neutrale Achse Z-Z eintreten, die rechtwinklig zu den beiden

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anderen Achsen verläuft.

Wie schon erwähnt, wird eines der Aggregate 100 durch die Wellungen auf der einen Seite der Schallrille betätigt, während das andere Aggregat durch die Wellungen auf der anderen Seite der Schallrille betätigt wird. Die durch die beiden Piezowider-Standselemente erzeugten Signale werden über die erwähnten paarweise angeordneten Anschlüsse den betreffenden Eingängen von zwei Verstärkern zugeführt, mittels deren die Tonaufzeichnung stereophonisch wiedergegeben wird.

Gemäß Pig. 7 sind die Anschlüsse 133 und 135 jedes Aggregats 100 über die Patronenanschlüsse 24,24 zwischen zwei Eingangsklemmen 170 und 171 des Verstärkers 33 angeschlossen. Die Eingangsstife dieses Verstärkers umfaßt einen Transistor Q, der gemäß Mg. 7 an das Aggregat 100 angeschlossen sein kann. Bei dem Verstärker nach Pig. 7 ist eine der Elektroden 133 des Aggregats 100 über einen Belastungswiderstand E.1 mit einer negativen Klemme B- einer Spennungsquelle verbunden, und die andere Klemme 135 ist bei & geerdet, wobei der Erdungspunkt an die positive Klemme B+ der Spannungsquelle angeschlossen ist. Bei dieser Anordnung fließt ein elektrischer Strom durch das Piezowiderstandselement 120 bzw. 150. Dieser Strom variiert entsprechend den Wellungen der Schallrille. Die auf diese Weise erzeugten variablen elektrischen Signale werden der Basis b des Transistors Q über einen Kopplungskoftdensator 01 zugeführt.

Ein Spannungsteilernetzwerk, das Widerstände R2 und R3 umfaßt, ist zwischen der negativen Klemme B- und dem Erdungspunkt G angeschlossen, und die Verbindungsstelle zwischen den

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beiden Widerständen ist mit der Basis b des Transistors Q verbunden. Ein Rückkopplungs- oder Emitterfolgewiderstand R4 ist zwischen dem Erdungspunkt. G- und dem Emitter e angeschlossen und überbrückt den Kondensator C2· Ein Kollektorbelastungswiderstand R5 liegt zwischen dem Kollektor c des Transistors Q und der negativen Klemme B-.

Im allgemeinen kann der Eingangswiderstand eines solchen Transistorverstärkers leicht auf einen Wert von mehreren hundert bis zu mehreren tausend Ohm eingestellt werden, Der dynamische viiiderstand der hier beschriebenen Piezowiderstandselemente 120 bzw. 150 beträgt etwa 1000 0hm, doch kann er auch andere Werte innerhalb eines großen Bereichs annehmen. Somit macht es keine Schwierigkeiten, den effektiven Eingangswiderstand des Verstärkers 33 an den effektiven Widerstand des Piezowiderstandselements anzupassen.

Der Verstärker 33 umfaßt weitere Stufen und verschiedene Pilter sowie Lautstärkeregelungselemente, wie es erforderlich ist, um am Ausgang des Verstärkers elektrische Signale erscheinen zu lassen, die einem Lautsprecher zugeführt werden können.

Fm niederfrequente Geräusche möglichst auszuschalten, wird die Stääke des durch die Piezowiderstandselemente fließenden Stroms genügend gering gehalten, so daß die Temperatur des schmaleren Abschnitts des Piezowiderstandselements nicht in einem- solchen Ausmaß variiert, daß sich der Widerstand lediglich als JOlge der Temperaturänderungen verändert. Bei den Piezowiderstandselementen nach Pig. 5 und 6 ist z.B. eine Stromstärke

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von etwa 5 bis 15 Milliampere geeignet.

Die erfindungsgemäßen Piezowiderstandselemente sprechen • sowohl auf sehr niederfrequente Signale als auch auf hochfrequente Signale an. Versuche haben gezeigt, daß bei einein erfindungsgemäßen Element die elektrische Energie bei 50 Hz um das Hundert-fache größer sein kann als bei Wandlern bekannter Art mit piezoelektrischen Elementen, und um das 10.. .000-faehe größer als bei Wandlern mit Elementen, deren magnetischer Widerstand variabel ist. Im Hinblick hierauf läßt sich eine Basiskompensation oder eine andere Frequenzkompensation bei einem erfindungsgemäßen Tonabnehmer leichter erreichen als bei den bis ;jetzt gebräuchlichen Tonabnehmern. Zu den weiteren Vorteilen der Erfindung gehört die Tatsache, daß man keine Vorverstärker zur Anpassung des elektrischen Widerstandes benötigt, so daß sich die Gesamtkosten eines Plattenspielers verringern.

Wegen der physikalischen Eigenschaften, des Piezowiderstandselements und des Hebelmechanismus zum Übertragen einer Kraft von einer Schallrille auf das Element ist es relativ leicht, eine Anpassung des mechanischen Widerstandes zu erreichen. Hie*- bei ist eine mit hohem Wirkungsgrad erfolgende Übertragung von Energie von der umlaufenden Schallplatte und dem Piezowiderstandselement möglich. Im Hinblick hierauf sowie auf die Tatsache, daß das Piezowiderstandselement einen hohen Eichfaktor (gauge factor) besitzt, wird es möglich, relativ starke elektrische Signale zu erzeugen, die am Ausgang des Elements erscheinen. In der Praxis hat es sich gezeigt, daß es gemäß der Erfindung möglich ist,

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eine hervorragende Wiedergabe von Tönen von.einer Schallplatte selbst dann zu erzielen, wenn die nach unten gerichtete Kraft, mit der die Tonabnehmernadel an die Schallplatte angedrückt wird, nur 0_P5 g beträgt. Somit gewährleistet die Erfindung eine längere Lebensdauer der Schallplatten.

Die Erfindung läßt sich nicht nur in den vorstehend beschriebenen Fällen anwenden, sondern sie kann auch in i-'ällen angewendet werden, in denen es sich nicht um die Wiedergabe von Tönen nach Schallaufzeichnungen handelt.

fig, 8 und 10 zeigen als Beispiele einfache gemäß der Erfindung aufgebaute Beschleunigungsmesser. Bei dem Beschleunigungsmesser nach IPig. 8 sind zwei Piezowiderstandselemente 150a und 150b vorgesehen, die Rücken an Rücken mit Hilfe einer elektrisch nicht leitenden Schicht 151 miteinander verbunden sind.

Der Abschnitt 154a eines der Piezowiderstandselemente, z.B. des Elements 150b, wird durch einen Gegenstand 152 unterstützt, der Beschleunigungen ausgesetzt ist, während sieh der andere Abschnitt 156a über die Unterstützung 152 hinaus erstreckt und an seinem äußeren Ende eine Masse M trägt, die mit Hilfe eines flexiblen Drahtes W oder eines anderen Leiters an dem Element aufgehängt ist. Bei dieser Anordnung.wirkt praktisch jedes der Piezowiderstandselemente gegenüber dem anderen Element als Kardangelenk. Jedes Element ist um die Drehachse X-X nachgiebig, jedoch um die neutrale Achse Z-Z steif, d.h„ längs der Achse, die parallel zu der Hicntung verläuft, in welcher die Kraft auf das Ende des angelenkten Trägers aufgebracht wird,

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um zu bewirken, daß der freie Teil des Trägers gegenüber dem verankerten oder feststehenden Teil um das Gelenk gedreht wird. Yienn man die jeweils einer Eulerschen Säule entsprechenden Abschnitte 159a sehr breit und über die ganze Breite jedes Elements sehr dünn ausbildet, weist jeder Abschnitt 159a eine ausreichende festigkeit auf, so daß 4er selbst als Kardangelenk wirken kann. Bei der Anordnung nach Fig. 8 wirkt somit jeder der breiten Abschnitte 159a als G-elenk für das andere Element.

Praktisch wird gemäß Fig. 8 ein elektrisch empfindliches Doppelaggregat 153 vorgesehen, das zwei Piezowiderstandselemente 150 nach Fig. 6 umfaßt, die Rücken an !Rücken angeordnet und durch die Schicht 151 miteinander verbunden sind.

Das so hergestellte Doppelaggregat 153 ist an seinem äußeren Ende mit einer Verbindungsleitung 138a versehen, Perner sind an dem unterstützten Ende des Doppelaggregats Zuleitungen 155 und 155a vorgesehen, die ebenso wie eine Zuleitung 157 an der Unterstützung 152 mit einer Brückenschaltung eines Verstärkers 33a verbunden werden können, wie es in Pig. 9 gezeigt ist. Die Schaltung nach Pig. 9 umfaßt einen Transistor Q mit einer -Basis b, einem Kollektor c und einem Emitter e. Die Leitung ist mit der Basis b über einen Kopplungskondensator C1 verbunden. Die Leitung 155a ist an die negative Klemme B- der Spannungsquelle angeschlossen, während die Leitung 157 bei G- geerdet ist; der Erdungspunkt ist seinerseits an die positive Klemme B+ der Spannungsquelle angeschlossen. Die erzeugten Signale werden der Basis b des Transistors Q über den Kondensator 01 zugeführt.

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Ein Spannungsteilernetzwerk mit Widerständen R2 und E3 liegt zwischen der negativen Klemme B- und dem Erdungspunkt G, und die Verbindungsstelle zwischen den beiden Widerständen ist an die i3asis b angeschlossen. Ein Rückkopplungs- oder Emitterfolgewiders.tand RA liegt zwischen dem Erdungspunkt G- und dem Emitter e parallel zu dem Kondensator C2. Ein Kollektorbelastungswiderstand R5 ist zwischen dem Kollektor c und der negativen Klemme B- angeschlossen.

Wenn der Gegenstand 152 Schwingungen längs der neutralen Achse Z-Z ausführt, werden die beiden Piezowiderstandselemente 50 um die Drehachse X-X entsprechend durchgebogen. Hierbei wird eines der Elemente gedehnt, während das andere zusammengedrückt wird, so daß der Widerstand des einen Elements zunimmt, während, derjenige des anderen abnimmt. Die Änderungen des Widerstandsunterschiedes zwischen den beiden Piezowiderstandselementen wirken auf den Verstärker 33a, so daß am Ausgang des Verstärkers ein Signal erscheint, dessen Amplitude und Frequenz entsprechend der Amplitude und Frequenz der Beschleunigungskomponente des Gegenstandes 152 längs der Achse Z-Z variiert.

Eine weitere Ausbildungsform eines einfachen Beschleunigungsmessers nach der Erfindung ist in Pig. 10 dargestellt. In diesem Pail ist eine Masse M an einem Ende einer flexiblen Stange bzw. einem Arm 161 befestigt, dessen anderes Ende fest mit einem Gegenstand 162 verbunden ist, der Schwingungen oder andere beschleunigte Bewegungen längs einer Achse Z-Z ausführen kann, die rechtwinklig zur längsachse der Stange 161 verläuft. Himmt man an, daß die Achse Z-Z senkrecht verläuft, und daß der

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Stab 161 eine ebene Oberseite hat, ist ein Piezov/iderstandselement an dem Stab 161 auf beiden Seiten einer Nut 164 in der Oberseite des Stabes befestigt, und ein weiteres Element ist auf beiden Seiten einer zweiten Nut 166 an der Unterseite des Stabes befestigt. Die N_uten begrenzen ein Gelenk, an dem die größte Durchbiegung des Stabes auftritt, wodurch die Empfindlichkeit der Anordnung erhöht wird·

Bei dem Beschleunigungsmesser nach Fig. 10 wird das obere Piezowiderstandselement gedehnt, während das untere Element zusammengedrückt wird, und das obere Element wird zusammengedrückt, wenn das untere Element gedehnt wird. Somit nimmt der Widerstand eines der Piezowiderstandselemente ab, wenn der Widerstand des anderen Elements zunimmt und umgekehrt. Somit wirken die Piezowiderstandselemente nach Art von Dehnungsmesserelementen.

Man kann z.B. eine Brückenschaltung der in Pig. 11 gezeigten Art verwenden, um die Änderungen der mechanischen Spannung zu registrieren. Hierbei sind das Dehnungsmesserelement 150 und Widerstände R1, R2 und R3 in die vier Zweige der Brückenschaltung eingeschaltet. Ein einer Spannungsquelle S entnommenes Gleichstromsignal wird einer Diagonale der Drückenschaltung zugeführt, und ein Registriersystem RS, s.B. ein Verstärker-System bekannter Art mit einem registrierenden Oszillographen, liegt in der anderen Diagonale der Brückenschaltung. Im vorliegenden Pail kann die Brückenschaltung dadurch in einen unabgeglichenen Zustand gebracht werden, daß man die Werte der Widerstände ändert, z.B. durch Verstellen des variablen Widerstandes R1.

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Die Brückenschaltung nach Fig. 11 kann dazu dienen, Änderungen des ,/iderstandsunterschiedes zwischen den beiden Piezowiderstandselementen des Beschleunigungsmessers nach Fig. 10 während der Beschleunigungsmessung nachzuweisen. Ferner kann in diesem Fall die Brücke ebenfalls in einen unabgegliciaenen Zustand gebracht werden, so daß die Polarität des dem Registriersystem zugeführten Signals ohne Rücksicht auf das Torzeichen der Beschleunigung unverändert bleibt·

Bei dem Beschleunigungsmesser nach Mg. 10 und 12 hat das Piezowiderstandselement 200 die Form eines sehr kleinen langgestreckten Klotzes aus einem Halbleitermaterial mit einem schmaleren Abschnitt bzw. einer Eulerschen Säule 21Of mit an-

deren Worten, die Umrißform des Elements 200 entspricht derjenigen einer Sanduhr, d.h. es sind zwei größere Abschnitte 212 vorhanden, mit denen zv/ei elektrische leitungen 214 leitend verbunden sind. Das Piezowiderstandselement nach Fig. 12 hat die Form eines Klotzes oder Stabes mit rechteckigem Querschnitt, Das Element hat eine Gesamtlänge L von 2,5 mm, eine Gesamtbreite W von 1,3 mm und eine Dicke H von 0,28 mm. Die Anschlußalbschnitte haben im Grundriß eine quadratische Form, und ihre Seitenlänge beträgt etwa 1,3 mm. Der schmalere Terbindungsabschnitt wird durch zwei einander gegenüber liegende fluten 216 abgegrenzt, die auf beiden Seiten des Elements vorgesehen sind, sowie durch zwei weitere fluten 218 auf der Oberseite und der Unterseite des Elements. Die Hüten 216 haben an ihren inneren Enden halbzylindrische Bodenflächen. Der Radius dieser Bodenflächen beträgt etwa 0,3 mm. Die fluten 218 werden auf eine

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liefe von etwa 0,07 mm eingeschnitten. Hierbei hat der dünnere Verbindungsabschnitt einen Querschnitt von etwa 0,15 x 0,15 mm,

2 und die kleinste Querschnittsfläche beträgt etwa 0,0002 cm .

Der Verbindungsabschnitt hat nahezu einen quadratischen Querschnitt, doch wird er durch einen chemischen Ätzvorgang an den Kanten etwas abgerundet. Dieser Abschnitt ist mit den Anschlußabschnitten durch zügig abgerundete, sich nach außen verbreiternde Abschnitte verbunden.

Der zwischen den Anschlußabschnitten liegende Abschnitt 210 des Piezowiderstandselements nach Pig. 12 bildet praktisch eine Eulersehe Säule von geringer länge mit der Umrißform einer Sanduhr, und diese Säule wird in seitlicher .Richtung nicht unterstützt. Die Länge a des Verbindungsabschnitts bzw. der Säule, d.h. der Abstand zwischen den Anschlußabschnitten, ist etwas größer als die kleinste Dicke des Verbindungsabschnitts. In jedem Fall ist die Länge des Verbindungsabschnitts kleiner als die Länge (etwa das Drei- bis Vierfache der kleinsten Dicke des Verbindungsabschnitts), die zu einem Ausknicken der Säule führen könnte.

Zwar hat das ganze Element die Porm einer Eulerschen Säule, doch ist dies nicht in jedem Pail für ein einwandfreies Arbeiten erforderlich. Mit anderen Worten, wenn bei der hier gezeigten Ausbildungsform der Erfindung in der Längsrichtung wirkende Druckkräfte entlang der Längsachse Y-Y des Elements aufgebracht werden, würde sich das Element nicht durchbiegen oder ausknicken, sondern es würde sich an dem Verbindungsabschnitt allmählich vergrößern oder verdicken, bis es zerstört

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wird. Zwar könnte ein Ausknicken eintreten, wenn das Element eine große Länge hätte, so daß das Element praktisch eine Stange oder einen Stab bildete, doch könnte man bezüglich des Verbindungsabschnitts zwischen den Anschlußabschnitten immer noch annähmen, daß dieser Abschnitt die Eigenschaften einer Eulerschen Säule besitzt, wenn man die Kräfte betrachtet, die auf das Element an den dem Verbindungsabschnitt am nächsten benachbarten Teile der Anschlußabschnitte aufgebracht werden. Das Piezowiderstandselement ist um seine Mittelachse Y-Y symmetrisch, und es ist zu zwei zueinander rechtwinkligen Ebenen symmetrisch, die sich durch diese Achse erstrecken. Bei dieser Anordnung ist der schmalere Verbindungsabschnitt mit der Mittelachse Y-Y konzentrisch, und er liegt in der Mitte zwischen den Seitenkanten und flächen der Anschlußabschnitte«

Die Bedeutung der Verwendung eines Verbindungsabschnitts von kleineren Abmessungen, der nicht ausknicken kann, liegt darin, daß dieser Abschnitt des Piezowiderstandselements lois zur Zerstörung zusammengedrückt werden kann, ohne auszuknicken. Diese Tatsache erleichtert das Ansprechen auf Druck- und Zugbeanspruchungen über einen großen Beanspruchungsbereich, ohne daß das Aggregat durch eine statische Zugkraft vorgespannt wird. Hierdurch verdoppelt sich praktisch der Beanspruchungsbereich, innerhalb dessen das Element benutzt werden kann, ohne einer Vorspannkraft ausgesetzt zu sein.

Bei der herstellung der erfindungsgemäßen Piezowiderstandselemente kann man verschiedene Arten von Pxezowiderstandsmaterial

Ο η ο ο <"» ⁿ /λ·-··~ —

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verwenden* Am besten geeignet sind Halbleitermaterialien, z.B.

Silizium, das mit einer kleinen Menge von Bor gedopt worden ist.

Zu den weiteren brauchbaren Materialien gehört auf geeignete Weise gedoptes Germanium, Siliziumkarbid und G-alliumarsenid.

Ein Material mit einem Widerstand von 3 Ohm-em bei Raumtemperatur (unbeansprucht) hat sich als sehr zweckmäßig erwiesen. Bei einem solchen Material besitzt das Dehnungsmesserelement mit den vorstehend angegebenen Abmessungen einen Widerstand von etwa £59 Ohm. Dieser Widerstand macht das Element sehr geeignet zur Verwendung als Dehnungsmesser; die zahlreichen Gründe hierfür sind jedem Fachmann geläufig. Einerseits ist der Widerstand genügend klein, so daß eine übermäßige Aufnahme von Störsignalen, die auf Starkstromleitungen und dergleichen zurückzuführen sind, vermieden wird, jedoch ist der Y/iderstand andererseits genügend groß, um eine Anpassung an andere Widerstände einer Brückenschaltung oder die Anpassung an ein Yerstärkersystem zu erleichtern, was insbesondere dann gilt, wenn es sich um Festkörperschaltungen handelt. Im allgemeinen läßtmsich ein Widerstand zwischen 10 und 3000 Ohm leicht erzielen, und ein solcher Widerstand erweist sich als brauchbar.

Ein solches Piezowiderstandselement besitzt einen hohen Eichfaktor, doch zeigt es keine übermäßig großen Änderungen seiner Eigenschaften als Folge einer elektrischen Erhitzung, und zwar trotz der Tatsache, daß der aktive bzw. beanspruchungsempfindliche Teil des Elements nicht in inniger Verbindung mit dem zu untersuchenden Gegenstand steht.

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Die maximale positive Dehnung oder Längung, die noch nachgewiesen werden kann, richtet sich nach der Streckgrenze des Materials des Dehnungsmesserelements l>ei einer Beanspruchung durch Zugkräfte, Die maximale negative Beanspruchung oder -Zusaminendriickung, die noch nachgewiesen werden kann, richtet sich nach der maximalen last, die das Piezowiderstandselement auf» nehmen kann_s ohne zerstört zu werden« Die üffesäsung dieser Widerstandsänderungen wird durch die iatsaehe erleichtert^ daß durch den dünnen Verbindungsabschnitt des Piezowiderstandseleiaents starke Ströme geleitet werden können.» ohne daß eine Über-Mtsung zu befürchten ist» In der Praxis aeigt ©s sich, daß Inderungen des Widerstandes um + 20^ innerhalb des Beanspruoijjmgsbereichs auftreten, innerhalb dessen Messungea durciigeftihrt werden können^ ohne daß eine Beschädigung des beanspruöhiingseapfindlichen Elements au befürchten ist« !Tatsächlich kann eine Widerstandsänderung von 45^ auftreten, bevor das Element gierstört wird, Bei kleinen Querschnittsflachen im !Faserbei^eich wurden Widerstandsänderungen von ±60$ vor dem Eintreten des äruchs beobachtete

BIe Empfindlichkeit eines Piezowiderstandseleiaents hängt davon ab_s in welcher dichtung die Beanspruchung bezüglich, der Achsen des Kristallgefüges aufgebracht wird. Bei Silicium wird eine maiämal® Empfindlichkeit in der (IH)-Hichtuag erhielt. Daher wird öaa Dehnungsmesserelement so hergestellt^ daß di© Beansprucfaiaagsachse T-Y längs der (111)-Hiohtung des Kristalls verläuft· Dafliit optimal© Ergebnisse ersielt werden, wird das Pieaowiderstasadselement als Einkristall hergestellt·

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Das Piezowiderstandselement 150 nach Pig. 4 ähnelt bezüglich seiner Konstruktion und Zusammensetzung weitgehend dem Piezowiderstandselement 200 nach Fig. 12. Jedoch ist gemäß Fig. 4 aus noch zu erläuternden Gründen ein Verbindungsabschnitt von kleinerem Querschnitt vorgesehen. Auch das Element 120 nach Fig. 5 kann mit einem Verbindungsabschnitt von kleinerem Querschnitt versehen werden. Bei der günstigsten Ausbildungsform der Erfindung werden die Piezowiderstandselemente so hergestellt oder so unterstützt, daß der einer -üeanspruchung ausgesetzte aktive Teil des Elements eine Eulersche Säule bildet. Wenn man einen sehr kleinen Querschnitt im Faserbereich vorsieht, läßt sich ein höherer effektiver elektrischer Widerstand des aktiven Abschnitts erzielen. Gleichzeitig kann man die im folgenden beschriebene anomale Erscheinung vorteilhaft ausnutzen, gemäß welcher sich eine Erhöhung der Streckgrenze des Piezowiderstandselements ergibt, wenn man die Querschnittsfläche verkleinert.

Wenn man die Querschnittsfläche des Verbindungsabschnitts

verkleinert, zeigt es sich, daß die Streckgrenze (Dyn/cm ) eine anomale Zone durchläuft, innerhalb deren die Zugfestigkeit im wesentlichen konstant und von der Querschnittsfläche unabhängig ist. Praktisch ist die Streckgrenze des Materials unterhalb dieser Zone höher als oberhalb derselben, doch variiert sie aus noch nicht geklärten Gründen im umgekehrten Verhältnis zur Querschnittsfläche. Bei der vorteilhaftesten Ausbildungsform der Erfindung wird die Querschnittsfläche des Verbindungsabschnitts so gewählt, daß sie innerhalb der Zone konstanter Zugfestigkeit (Dyn) liegt.

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In Pig. 13 ist eine graphische Darstellung der Änderung, der Streckgrenze in Abhängigkeit von der Querschnittsfläche für einen dünnen Stab aus Silizium wiedergegeben. Man erkennt, daß der Streckgrenzenmodul einen »fert von 3 x 10 Dyn/cm hat, wenn die Querschnittsfläche etwa 2 χ 10"-³ cm beträgt, und daß sich ein viert von 4 χ 10' Dyn/cm ergibt, wenn die Querschnittsfläche etwa 2 χ 10"^ cm² beträgt, und daß der Streckgrenzenmodul im umgekehrten Verhältnis zur Querschnittsfläche in dem Zwischenbereich variiert, bei dem es sich um die Zone Z einer im wesentlichen konstanten Streckkraft handelt. Diese Erscheinung wurde für Silizium in dem Artikel beschrieben, der von Gr.L. Pearson, v7.T. Eead jr. und W,L. Zeldman unter dem Titel "Deformation and !Fracture of Small Silicon Crystals" in Actametalurgica, Band 5, S. 181-191, April 1957 beschrieben wurde. Der Streckgrenzenmodul von 4 χ 10' Dyn/cm², der für Stäbe von großem Querschnitt charakteristisch ist, wird als · Grundwert bezeichnet. Der Querschnittsbereich, unterhalb dessen sich der Streckgrenzenmodul gegenüber dem vorstehenden Wert erhöht, wird als .Faserbereich bezeichnet.

Wenn man den Querschnitt des Piezowiderstandseleraents in die Zone der konstanten Streckgrenze verlegt, ist die Obergrenze der -Beanspruchung, die nachgewiesen werden kann, ohne daß eine fieckung eintritt, von der Querschnittsfläche unabhängig und daher im wesentlichen frei von Änderungen, die sich anderenfalls als Folge von Querschnittsunterschieden zwischen verschiedenen Pxezowiderstandselementen ergeben könnten. Arbeitet man in diesem .Bereich, kann man den Widerstandswert innerhalb eines großen

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Bereichs von Werten wählen, ohne den Verlauf der Reckkraft zu ändern· Messungen der Y/iderstandsänderung werden durch die Tatsache erleichtert, daß starke Ströme durch den Verbindungsabschnitt des Dehnungsmesserelements geleitet werden können, ohne daß eine Überhitzung eintritt? dies ist auf die Wärmeaufnahmewirkung der größere Abmessungen aufweisenden Endabschnitte zurückzuführen·

Beinden Piezowiderstandselementen nach Fig. 5 und 6, die

sich bis jetzt gemäß der Erfindung am besten bewährt haben, be-

—*5 2

trägt die kleinste Querschnittsfläche 5 x 10 cm . Diese Querschnittsfläche liegt im Paserbereich und praktisch auch in dem ■Bereich, in welchem die Bruchkraft von der Querschnittsfläche unabhängig ist und praktisch nahe der Schulter der Zugfestigkeitskurve liegt·

Man kann sämtliche erfindungsgemäßen Piezowiderstandeelemente als Dehnungsmesserelemente betrachten, und man kann sie benutzen, um anstelle von Schwingungen stetige oder konstante Verlagerungen zu messen.

Es sei bemerkt, daß sich die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, und daß zahlreiche andere Ausbildungsformen der erfindungsgemäßen Piezowiderstandselemente möglich sind* ferner kann man solche Elemente aus anderen Materialien herstellen und sie auf andere Weise als Bestandteile von elektromechanischen Wandlern verwenden.

; - Patentansprüche t

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Claims

DH. ING. V. WUESTHOF* DIPt. ING. Ö. PUI-S DR.E.V.PECHMANN iMJi MÜNCHEN β SOHW3BIGBHSTH.» - 32 - 1A-30 357 '-JSi S- -

1. Elektromechanisches Wandlerelement, gekennzeichnet durch zwei durch ein Gelenk miteinander verbundene Teile und Piezowiderstandsmittel, welche die beiden 'i'eile an einem von dem Gelenk entfernten Punkt miteinander verbinden»

2. Elektromechanisches ffandlerelement nach Anspruch 1_f dadurch gekennzeichnet , daß die Piezowiderständsmittel aus einem Halbleitermaterial bestehen.

3«. Elektromechanisches Wandlerelement nach Anspruch 1_S dadurch gekennzeiphnet ₉ daß die Piezowiderstandsmittel ein langgestrecktes Piezowiderstandsglied umfassen, dessen Enden mit den beiden Teilen verbunden sind/ und daß der aktive Teil des Piezowiderstandsgliedes, der einer Beanspruchung ausgesetzt wird, wenn die beiden i'eile um das Gelenk gegeneinander gedreht werden, eine im ffaserbereich liegende Querschnittsfläche besitzt.

4. Elektromechanisches Wandlerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Piezowiderstandsmittel ein langgestrecktes Piezowiderstandsglied umfassen, dessen Enden mit den beiden Teilen verbunden sind, und daß der aktive Seil des Piezowiderstandsgliedes, der einer Beanspruchung ausgesetzt wird, wenn die beiden Teile gegeneinander gedreht werden_f die Eigenschaften einer Eulerschen Säule besitzt.

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5. Elektromechanisches tfandlerelement, gekennzeichnet durch eine zweiteilige Unterstützung, deren beide Teile in einem Abstand voneinander angeordnet und durch mechanische Gelenkmittel elektrisch miteinander verbunden sind, sowie durch Piezowiderstandamittel, welche die beiden Teile in einem Abstand von dem Gelenk elektrisch und mechanisqh miteinander verbinden·

6. Elektromecnanisches Wandlerelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß das ü-elenk als Kardangelenk ausgebildet ist.

7. Elektromecnanisches v/andlerelement, gekennzeichnet durch einen langgestreckten Biegeträger, der auf einer Seite eine Aussparung besitzt, so daß auf der entgegengesetzten Seite ein ein Gelenk bildender Abschnitt von geringerer Dicke vorhanden ist, sowie durch ein Piezowiderstandselement, das an dem Biegeträger befestigt ist und die Aussparung auf der dem Gelenk gegenüber liegenden Seite überbrückt, so daß sich der elektrische Widerstand des Elements ändert, wenn das Element einer um das Gelenk wirkenden Biegekraft ausgesetzt wird.

8. Elektromechanischer wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Aussparung durch eine Wut gebildet wird, die 3ich annähernd parallel zur Achse des Gelenks quer zur Längsachse des Biegeträgers erstreckt.

9. Elektromechanischer wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das befestigte Element mit dem

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Biegeträger elektrisch leitend verbunden ist.

10. Elektromeohanisclier Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet ,' daß das Element mit Hilfe eines elektrisch leitenden Bindemittels befestigt ist.

11. Tonabnehmer für Plattenspieler, gekennzeichnet durch einen Tonabnehmerarm, ein auf dem Arm angeordnetes elektromeehanisch.es v/andleraggregat mit zwei einander gegenüber liegenden Teilen, Grelenkmittel, die die beiden Teile mechanisch und elektrisch miteinander verbinden, sowie Piezowide'rstandsmittel, die eine mechanische und elektrische 7erbindung zwischen den beiden Teilen bilden und in einem Abstand von den G-elenkmitteln angeordnet sind, so daß eine Änderung des elektrischen Widerstandes der PieζowiderStandsmittel herbeigeführt wird, wenn das Wandleraggregat einer um die ^elenkmittel wirkenden Biegekraft ausgesetzt wird.

12. Tonabnehmer nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen Verstärker, dessen Eingang elektrisch mit dem Piezowiderstandselement verbunden ist.

13. Tonabnehmer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsstufe des Verstärkers einen Transistor umfaßt.

14. Elektromechanisches W'andlerelement, gekennzeichnet durch eine Unterstützung mit zwei relativ zueinander bewegbaren Teilen und Piezowiderstandsmittel, die die beiden i'eile miteinander verbinden, wobei diese Mittel ein langgestrecktes Piezowiderstandsglied umfassen, dessen Enden

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mit den beiden feilen verbunden sind, und wobei der aktive ^xeil des Piezowiderstandsglxedes, der einer -üeanspruchung ausgesetzt wird, wenn sich die beiden 'feile relativ zueinander bewegen, eine im Faserbereich liegende Querschnittsfläche besitzt.

15. Elektromechanisches ,vandlerelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Teil des Piezowiderstandsgliedes die Eigenschaften einer Eulerschen Säule besitzt.

16. Elektromechanisches v/andlerelement, gekennzeichnet durch zwei einander gegenüber angeordnete Teile, die beiden '^eile mechanisch und elektrisch miteinander verbindende Gelenkmittel und Piezowiderstandsmittel, die die beiden ^eile in einem Abstand von den Gelenkmitteln mechanisch und elektrisch miteinander verbinden.

17. Elektromechanischer Wandler, gekennzeichnet durch zwei einander ähnelnde Wandlerelemente, die der Länge nach nebeneinander angeordnet und derart fest miteinander verbunden sind, daß keine elektrisch leitende Berührung zwischen ihnen besteht, wobei jedes der Wandlerelemente aus einem Piezowiderstandsmaterial besteht, wobei jedes v/andlerelement eine Nut aufweist, die sich quer zu einem mittleren Abschnitt des Elements erstreckt, so an dieser Stelle ein dünner querliegender gelenkähnlicher Abschnitt vorhanden ist, und wobei die gelenkähnlichen Abschnitte der beiden Elemente einander gegenüber angeordnet sind, so daß der eine gelenkähnliche Abschnitt als 'Gelenk,für den anderen gelenkähnlichen Abschnitt w.irkt, welch

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letzterer als Eulersohe Säule zur Wirkung kommt.

18. jsiektromeohanisoher Wandler nach Anspruch 17* g e kennzeichnet durch elektrische Zuleitungen aum Anschließen von Yerstärkern und dergleichen©

19« Elektromechanisch^ iandlereleiaent_P g e Je e η a « zeichnet durch zwei einander gegenüber angeordnete_? elek trisch nicht leitend© Unterstützungsteil Sie äureh ein© Mat voneinander getrennt sind,. mechanische &el©nloaittel, die ein® elektrische Verbindung zwischen den beiden Unterstütaungsteilen auf einei· Seite der Ifut bilden, Piezowiderstandsmittel, die die Hut überbrücken und die beiden Teile elektrisch und mechanisch verbinden_? einen .elektrisch leitenden ersten Über-

&θτ an ά®Μ ihm benachbarten Seitenflächen dss³ "beiden i'eile gegenüber d©a Piesowiderstandsjsittela befestigt ist und" einea

der Gelenkmittel bildet* mehrere elektrisch Isitenäe üfeea?- die an den Seitenflächen der 'Seile befestigt sind, welche durch die Piesowiderstandsmittel.miteinander-verbunden. und die durch die Piezowiderstandsfflittel elektrisch'inlt verbunden sind, sowie eine ©Isktriseli leitende Verbindung swi sehen äem ersten "Übsrsug und einem übt an suiter Stell© ten Überzöge₉ wobei die Piezowiderstandsmlttel eiae sicii.'über die Mut hinweg erstreckende SuIersehe Säule umfassen· .

2Oo Wandlerelement nach Anspruch- 19* ' dadurch g e ken η ~ seiciiiiets daß die Eulereche Pi@isowiäerstaiiiisslule als · stabförmige* Paden ausgebildet und in eine fet öer beiden erwähn ten 'Seile eingebettet ist, die sieh quer zu den -^elenkmitteln erstreckt und in elektrischer ferbindung mit den verschiedenen

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leitfälligen Überzügen steht.

21. Wandlerelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezowiderstandsmittel durch einen Abstand getrennte Abschnitte umfassen, die in elektrischer Berührung mit den verschiedenen Überzügen stehen, sowie einen kleinere Abmessungen aufweisenden Abschnitt, der die erwähnten Abschnitte miteinander verbindet und eine sich über die Hut hinweg erstreckende Eulersche Säule bildet,

22. Elektromeehanisch.es .Vandlerelement, gekennzeichnet durch eine Unterstützung, die zwei durch Gelenkmittel miteinander verbundene Teile umfaßt, sowie ein starres selbsttragendes Organ mit zwei Abschnitten, die an den erwähnten Teilen an von den Gelenkmitteln durch einen Abstand getrennten Punkten befestigt sind, wobei das selbsttragende Organ eine physikalische Eigenschaft besitzt, die in Abhängigkeit von der relativen Verlagerung der beiden Punkte variiert, welche eintritt, wenn einer der beiden Teile gegenüber dem anderen Teil eine .Drehbewegung um die Gelenkmittel ausführt.

23. Wandlerelement nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet , daß die Gelenkmittel durch ein Kardangelenk gebildet werden, und daß die Längsachsen der beiden Teile, die sich rechtwinklig zur Achse der Gelenkmittel erstrecken, auf einer gemeinsamen Achse liegen, so daß die Teile eine stabförmige Konstruktion bilden.

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24. Wandlerelement nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der aktige "i'eil des Elements, der zwischen den Unterstützungspunkten auf. den beiden gelenkig verbundenen feilen liegt, die Eigenschaften einer Eulerschen Säule besitzt.

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PAIINIANSPRilOHE (deutsche Form)

ί 1 JHektrcaiechanischer Wandler, insbesondere für Tonab· nehmer, gekennzeichnet durch zwei gelenkig miteinander verbundene Unterstützungsteile (z.B. 122, 124) sowie ein diese beiden Teile an einem von dem Gelenk entfernten funkt (z.B. 140) miteinander verbindendes Plezowiderstandselement (z.B. 120).

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,daß das PiezoWiderstandselement aus einem Halbleitermaterial besteht.

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein langgestrecktes Piezowiderstandselement, dessen Enden mit den beiden Unterstützungateilen verbunden sind und dessen beim Gegeneinanderverdrehen der Teile um das Gelenk einer Beanspruchung ausgesetzter aktiver Abschnitt eine im Faserbsreich liegende Querechnittsflache besitzt.

4. Wandler nach Anspruch 3 t dadurch gekennzeichnet , das der aktive Abschnitt des Piez'owiderstandselements die Eigenschaften einer Eulersehen SUuIe besitzt.

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4- ^h:"

5. Wandler nach Anspruch 1 bis 4, dadurch ß ^e kennzeichnet , daß das Piezowiderstandselement zwei durch einen kleinere Abmessungen aufweisenden und eine Eulersche Säule bildenden Abschnitt (159) verbundene Befestigungsabsehnitte {154, 156) aufweist.

6. Wandler nach Anspruch 1 bis 5» dadurch ge-, kenn ζ e i c h η e t ,. daß das Fiezowiderstandselement (120) die beiden Teile in einem Abstand von dem Gelenk (140) elektrisch und mechanisch miteinander verbindet. , .

7. Wandler nach Anspruch' 1 bis 6, dadurch ge -* k e η η ζ e 1 c h η et , dajß das Gelenk als ^ardan-r gelenk ausgebildet 1st. ........... . . . .. ...

8. Wandler nach Anspruch 1 bis 7, g..je k e η η zeichnet durch einen langgestreckten Bieg;e- ., träger (126), der auf einer Seite eine Aussparjung (136) und auf der entgegengesetzten Seite; einen ein Gelenk . bildenden Abschnitt (140) von geringerer Dicke besetzt* wobei das FiezowiderStandselement (120) die Aussparung (136) auf der dem Gelenk (140) gegenüberliegenden ,Seite überbrückt.

BAD ORIGINAL 809809/078[7 _f ·,

9. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Aussparung (136) durch eine Nut gebildet wird, die sich annähernd parallel zur Achse des Gelenks (140) quer zur Längsachse des Biegeträgers erstreckt.

10. Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das Plezowiderstandselement mit Hilfe eines elektrisch leitenden Bindemittels auf dem Biegeträger befestigt ist.

11. Wandler nach Anspruch 1 bis 10, gekennzeichnet durch zwei durch eine Nut (136) voneinander getrennte, gelenkig miteinander verbundene UhterstUtzungstelle aus Isoliermaterial, einen die beiden Teile elektrisch miteinander verbindenden Leiterbelag

(130) auf der der Nut abgewandten Seite sowie mehrere Leiterbeläge (132a bis 132f) auf der durch die Nut unterbrochenen Seite, welche durch das Piezowlderstandselement (120, 150) elektrisch miteinander verbunden sind und von denen einer mit dem Leiterbdag der anderen Seite elektrisch verbunden 1st.

12. Wandler nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß das PiezowiderStandselement (120) in eine quer zu dem Gelenk (140) sich erstreckende Nut (134) der beiden Uhtersttitzungsteile eingebettet ist.

-V

80980S/0787

13. Wandler nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei einander ähnelnde Piezo* Widerstandselemente (150a, 150b), die der Länge nach isoliert miteinander verbunden sind und die Jeweils Quernuten (136a) aufweisen, so daß die Elemente etwa in der Mitte gegenüberliegende gelenkähnliche Abschnitte aufweisen, derart, daj3 der gelenkähnliche Abschnitt des einen Elements als Gelenk für das andere Element wirkt.

809809/0787