DE1797138C3 - Mechanischer Biegeschwinger - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen mechanischen Biegeschwinger, der durch Plättchen aus elektrostriktivem Material zu einem Wandler für den Übergang von elektrischen Schwingungen auf mechanische Biegeschwirigungen und umgekehrt ausgebildet und Vorzugsweise als Wandler eines mehrteiligen elekvromechanischen Filters vorgesehen ist und bei dem Plättchen ai's elektrostriktivem Material vorwiegend innerhalb des durch zwei benachbarte Schwingungsknoten begrenzten Bereiches im Zuge des Biegeschwingers angeordnet sind und bei dem weiterhin im Biegeschwinger ein sich von der äußeren Begrenzung bis etwa in den Bereich der hinsichtlich Biegeschwingungen auftretenden neutralen Faser erstreckender Schlitz vorgesehen ist, in den wenigstens ein mit Anregungselektroden versehenes Plättchen elektrostriktiven Materials mit einer senkrecht zu den Anregungselektroden verlaufenden Vorpolarisation derart eingebracht ist, daß wenigstens zwischen einer der Anregungselektroden und dem Biegeschwinger eine elektrisch isolierende Zwischenschicht liegt, nach Patent 12 80 988.

Im Hauptpatent sind mechanische Biegeschwinger angegeben, deren Schwingungsanregung mit Hilfe von aus elektrostriktivem Material bestehenden Plättchen erfolgt. Die elektrostriktiv aktiven Plättchen sind dabei derart im mechanischen Schwinger angeordnet, daß zur Schwingungsanregung der sogenannte direkte piezoelektrische Effekt ausgenutzt wird. Weiterhin ist das elektrostriktiv aktive Material in einen im Biegeschwinger vorgesehenen Schlitz eingebracht, wodurch sich eine verhältnismäßig große mechanische Festigkeit des Schwingers erzielen läßt. Wenn der Schwinger in Form eines dünnen Streifens ausgebildet werden soll, dann hätte eine über den direkten piezoelektrischen Effekt erfolgende Schwingungsanlegung gemäß dem Hauptpatent insofern gewisse fertigungstechnische Schwierigkeiten zur Folge, als die Abmessungen der aus piezoelektrischem Material bestehenden Plättchen verhältnismäßig klein werden müßten. Dadurch sind die mechanische Stabilität des Schwingers sowie eine zuverlässige Verbindung der elektrostriktiven Plättchen mit dem eigentlichen Schwingermaterial unter Umständen nicht mehr in vollem Umfang gewährleistet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektromechanische Biegeschwinger gemäß dem Hauptpatent in der Weise weiterzubilden, daß zur Anregung von Biegeschwingungen der direkte piezoelektrische Effekt auch für streifenförmig ausgebildete mechanische Biegeschwinger bei zumindest gleichbleibender mechanischer Stabilität ausnutzbar ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Biegesciiwinger mit sich in Schwingungsrichtung erstreckenden, über die Oberfläche hinausragenden Ansätzen versehen ist, zwischen die die aus efektrostrrktivem Material bestehenden Planchen eingebracht sind.

An Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführufigsbeispiels wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt einen mechanischen Biegeschwinger, der aus einem durchgehenden Stahlteil 5 besteht, das m't den senkrecht zur Oberfläche des Schwingers stehenden Ansätzen 6 und 6' versehen ist, die über die Oberfläche des Schwingers hinausragen. In den Schwinger ist ein von den Ansätzen 6 und 6' begrenzter Schlitz 7 eingefräst, in den die aus einem piezoelektrischen Material bestehenden Plättchen 8, 9. 10 und 11 eingebracht sind. Die elektrostriktiven Plättchen 8 bis 11 sind über elektrisch leitende Schichten, wie z. B. Silberschichten, miteinander verlötet, und weiterhin, beispielsweise durch einen Lötvorgang, mit den Stirnflächen des vom Schwinger 5 und den Ansätzen 6 und 6' gebildeten Schlitzes verbunden. Von den zwischen den elektrostriktiven Plättchen 8 bis U liegenden Silberschichten führen Zuleitungsdrähte zu den Anschlußklemmen 1, 2 und 3. In den Schwingungsknoten 12 und 12' sind Haltedrähte 13 und 13' befestigt. Es ist hierbei daran gedacht, beispielsweise die Haltedrähte 13 zur Verankerung des Schwingers in einem zur besseren Übersicht nicht näher dargestellten Gehäuse zu verwenden, während beispielsweise die Haltedrähte 13' der Kopplung des Schwingers 5 mit einem weiteren mechanischen Schwinger zum Aufbau eines mehrteiligen mechanischen Filters dienen können. Es sei angenommen, daß dem elektroslriktiven Plättchen 8 durch eine Gleichspannungsvorbehandlung eine in Richtung des Pfeiles 14 zeigende Polarisation, dem Plättchen 11 eine in Richtung des Pfeiles 15 weisende Polarisation aufgeprägt ist. Das Plättchen 9 sei entgegen der Richtung des Pfeiles 14 und das Plättchen 10 entgegen der Richtung des Pfeiles 15 vorpolarisiert. Wenn weiterhin zwischen der Anschlußklemme 2 und dem Stahlteil 5 eine elektrisch leitende Verbindung hergestellt wird, so daß die zwischen den Plättchen 9 und 10 liegende Silberschicht auf dem gleichen elektrischen Potential wie das Stahlteil 5 liegt, dann läßt sich die elektrische Wirkungsweise folgendermaßen erklären.

Legt man an die Anschlußklemmen 1 und 2 eine elektrische Wechselspannung, dann werden die elektrostriktiv aktiven Plättchen 8 und 9 während der einen

Halbperiode der Wechselspannung unter dem Einfluß des elektrischen Feldes gedehnt, während sie in der anderen Halbpcriode zusammengezogen werden. Da der Schwinger 5 aus einem durchgehenden Stahlteil besteht, werden durch die Dehnungs- und Verkürzungsbewegungen der Plättchen 8 und 9 Biegekräfte auf den Schwinger ausgeübt, so daß der Schwinger immer dann ausgeprägte Biegeschwingungen in Richtung des Doppelpfeiles 16 ausführt, wenn seine Biege-Eigcnfrequenz mit der Frequenz der angelegten Wechselspannung übereinstimmt. Auf GruiiJ dieser Bte^eschwingungen werden auch die elktrostriktiv aktiven Plättchen 10 und 11 Dehnungen und Zusammenziehungen unterworfen, wodurch zwischen der die Plättchen 10 und Il trennenden Silberschicht und dem Stahlteil 5 eine elektrische Wechselspannung entsteht, die zwischen den Klemmen 3 und 2 als Ausgangswechselspannung abgenommen werden kann. Um die Anregung störender Nebenwellen zu vermeiden, ist es zweckmäßig, das elektrostriktiv aktive Material nur auf einer Seite der neutralen Faser 17 des Biegeschwingers anzubringen, wobei unter der neutralen Faser diejenige Ebene zu verstehen ist, an der die im Schwinger wirksamen Biegekräfte ihr Vorzeichen umkehren.

Bei einer Ausbildung gemäß der Fig. 1 läßt sich der Biegeschwinger als frequenzselektiver elektrischer Vierpol verwenden. Sein elektrisches Ersatzschaltbild kann somit auf eine Schaltung zurückgeführt werden, wie sie in der F i g. 2 dargestellt ist. Zwischen den Eingangsklemmen Γ und 7 eines .τ-Gliedes liegt eine Parallelkapazität Cp\, im Längszweig liegt ein Serienresonanzkreis mit der Induktivität L der Kapazität Cund dem Verlustwiderstand R, dem ein im Querzweig liegender Übertrager U nachgeschaltet ist. Die Resonanzfrequenz des Serienresonanzkreises stimmt mit der Biegeeigenfrequenz des Schwingers überein. An der Sekundärseite des Übertragers liegt zwischen den Ausgangsklemmen 3' und 2' eine weitere Parallelkapazität Cp2. Im Ersatzschaltbild der F i g. 2 entsrrechcn die Anschlußklemmen Γ, 2' und 3' den Anschlußklemmen 1. 2 und 3 des in der F i g. 1 dargestellten Biegeschwingers. Das Übersetzungsverhältnis des Übertragers läßt sich beispielsweise dadurch verändern, daß die Dicke der Plättchen 10 und 11 unterschiedlich von der Dicke der Plättchen 8 und 9 gewählt wird, was praktisch bedeutet. daß die Kopplungsfaktoren für die Ein- und Ausgangsspannung unterschiedlich sind. Außerdem läßt sich je nach der Wahl der Vorpolarisation der Plättchen 10 und 11 in bezug auf die Vorpolarisation der Plättchen 9 und 10 erreichen, daß die Ausgangsspannung entweder .n Phase oder in Gegenphase zur Eingangsspannung ist.

Eine Ausbildung des Biegeschwingers gemäß der F i g. I ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Dicke d d^s Schwingers verhältnismäßig gering wird. Dies ist beispielsweise regelmäßig dann der Fall, wenn die Biegeeigenfrequenz des Schwingers unterhalb von etwa 10 kHz liegen soll. Durch die Ansätze 6 und 6' läßt sich nämlich erreichen, daß die elektrostriktiv aktiven Plättchen eine tür die Fertigungstechnik handliche Größenabmessung erhalten und daß gleichzeitig eine ausreichende mechanische S'abilität des Schwingers sowie eine zuverlässige Lötverbindung zwischen den eleklrostriktiven Plättchen und dem eigentlichen Schwingermaterial erzielt werden. Die Ausnutzung des direkten piezoelektrischen Effekts zur Anregung der Biegeschwingungen hat den Vorteil, daß mit im Verhältnis zum Gesamtvolumen des Schwingers nur wenig elektrostriktiv aktivem Material bereits verhältnismäßig große elektromechanische Kopplungsfaktoren erzielbar sind. Wegen des geringen Anteils elektrostriktiv aktiven Materials am Gesamtvolumen des Schwingers ergibt sich außerdem eine hohe mechanische Güte und eine große Temperaturkonstanz. Erforderlichenfalls braucht der Schlitz 7 nicht, wie in der Fig. I gezeichnet, in den eigentlichen Schwinger hineinragen, sondern er kann unmittelbar von den beiden Ansätzen 6 und 6' gebildet werden, so daß die /wischen den Ansätzen 6 und 6' liegende Oberflächenfaser in der gleichen Ebene wie die Schwingeroberfläche selbst liegt.

Außerdem läßt sich der Schwinger auch als elektrischer Zweipol ausbilden, wenn beispielsweise zwischen die Ansätze 6 und 6' nur zwei zueinander entgegengesetzt polarisierte elektrostriktive Plättchen eingebracht werden, die durch eine elektrisch leitende Schicht unterteilt sind. Außerdem kann der Schwinger gemäß der (ig. 1 auch in der Weise als elektrischer Zweipol ausgebaut werden, daß zwischen die Ansätze 6 und 6' ein elektrostriktiv aktives Plättchen und ein aus einem Isoliermaterial, wie z. B. Quarzglas, bestehendes Plättchen eingebracht werden, zwischen denen eine elektrisch leitende Schicht vorgesehen ist. die mit dem Stahlteil 5 nicht in leitender Verbindung steht. Legt man zwischen die elektrisch leitende Schicht und das Stühlteil eine elektrische Wechselspannung, dann lassen sich analog zu der bereits beschriebenen Weise ebenfalls ausgeprägte Biegeschwingungen anregen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Merliianischer Biegeschwinger, der durch Plättchen aus elektrostrikiivem Material zu einem Wandler für den Übergang von elektrischen Schwingungen auf mechanische Biegeschwingungen und umgekehrt ausgebildet und vorzugsweise als Wandler eines mehrteiligen elektromechanischen Filters vorgesehen ist. und bei dem Plättchen aus elektrostriktivem Material vorwiegend innerhalb des durch zwei benachbarte Schwingungsknoten begrenzten Bereichs im Zuge des Biegeschwingers angeordnet sind, und bei dem weiterhin im Biegeschwinger ein sich von der äußeren Begrenzung bis etwa in den Bereich der hinsichtlich Biegeschwingungen auftretenden neutralen Faser erstreckender Schlitz vorgesehen ist, in den wenigstens ein mit Anregungselektroden versehenes Plättchen elektrostriktiven Materials mit einer senkrecht zu den Anregungselektroden verlaufenden Vorpofarisation derart eingebracht ist. daß wenigstens zwischen einer der Anregungselektroden und dem Biegeschwinger eine elektrisch isolierende Zwischenschicht liegt, nach Patent 1280988. dadurch gekennzeichnet, daß der Biegeschwinger (5) mit sich in Schwingungsrichtung (16) erstreckenden, über die Oberfläche hinausragenden Ansätzen (6, 6') versehen ist, zwischen die die aus elektrostriktivem Material bestehenden Plättchen (8,9,10.11) eingebracht sind.