DE2158723C3 - Wandler - Google Patents

Description

ten Anwendungsfällen wie etwa bei Hörgeräten, darstellt; eine solche Empfindlichkeit ist auch die Hauptursache von auf mechanische bzw. auf Handhabungseinflüsse zurückzuführende Geräusche bei allgemeinen Anwendungsfällen als Mikrophon;

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wandler zu schaffen, der unter der Ausnutzung piezoelektrischer Elemente elfte möglichst wirkungsvolle und störungsfreie Wandlung elektrischer Energie in mechanische und Umgekehrt ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Wandler der eingangs genannten Art und besteht darin, daß mindestens ein aus einem piezoelektrischen Material bestehender Stab und elastische Anordnungen in Form eines vierseitigen peripheren Rahmens vorgesehen sind, der im wesentlichen über eine Diagonale den Stab trägt, wobei die elastischen Anordnungen so ausgebildet sind, daß sie bilateral zwischen auf den Rahmen wirkenden Flächenscherkräften und Längsspannungen in dem Stab übertragen.

Demgemäß besteht die Erfindung aus einem Wandler des elektromechanischen bzw. elektroakustischen Typs mit einem piezoelektrischen Stab, der als Diagonale von einem Rahmen getragen ist. Der Rahmen wird dabei Flächenscherspannungen unterworfen, und zwar, wie weiter unten noch ausgeführt wird, durch Ablenkung aufgrund eines im nachfolgenden als »doppelbogenförmig ausgebildete Fläche« bezeichneten Diaphragmas, welches eine allgemeine Sattelform aufweist und welche in dem piezoelektrischen Stab Längsspannungen induziert. Der Stab weist Elektroden zur Verbindung mit einem elektrischen Schaltkreis auf.

Die Erfindung ist insofern gemäß bekannten piezoelektrischen Wandlern vorteilhaft, als eine Kombination wünschenswerter Eigenschaften in Verbindung mit einfachem Aufbau und geringen Herstellungskosten erreicht wird. Dabei ist die Verwendung bevorzugter piezokeramischer Anordnungen möglich, die eine einfache, aus einem Stück bestehende Form aufweisen, also beispielsweise von Stäben allgemein rechteckförmigen Querschnittes, die leicht herzustellen und leicht zu polen sind. Darüber hinaus sind auch die anderen Auibauteile einfach in ihrer Struktur und können einfach zusammengesetzt werden, so daß man auf diese Weise zu einem Weinen, kompakten, widerstandsfähigen und äußerst empfindlichen Wandler gelangt.

Gemäß einem Merkmal der Erfindung sind einer oder mehrere piezoelektrische Stäbe vorgesehen, die entweder in Längs- oder Qi errichtung zu ihren Längsachsen Richtungen eines elektrischen Signalfeldes aufweisen: dabei erstrecken sich die Stäbe über eine oder beide Diagonalen eines vierseitigen Rahmens. Dabei sind, wie weiter oben schon erwähnt, elastische Mittel vorgesehen, um äußere Druck- bzw. Spannungseinwirkungen in Flächenscherspannungen umzuwandeln bzw. zu transformieren, die in einer Ebene parallel zu der vierseitigen Anordnung liegen; weiterhin werden diese Flächenscherspannungen in Längsspannungen in den Stäben durch eine andere elastische Anordnung, nämlich durch einen, wie schon erwähnt, vierseitigen Rahmen transformiert Eine solche Kombination von Elementen ist in der Lage, Energie aus der mechanischen Form in die elektrische Form und aus der elektrischen Form in die mechanische Form zu verwandeln, und zwar gegebenenfalls in beiden Richtungen. Das bedeutet, daß sowohl die spannungstransforrnierenden Mitte! als auch die Gesamtwandlung in ihrer Wirkungsweise bilateral, d. h. nach beiden Richtungen arbeitet.

Gemäß einer bevorzugten ' Ausführungsform zur Umwandlung der Flächenscherspannungen in in den Stäben verlaufenden Längsspannungen wird ein um· fangsrriäßigef Rahmen verwendet, der vorzugsweise die allgemeine Form eines vierseitigen Rahmens aufweist, wobei nur ein Stab oder mehrere, vorzugsweise zwei Stäbe innerhalb den Umrissen des Rahmens so montiert sind, daß sie in einer kfäftübeflfägenden Verbindung mit den jeweiligen Eckpunkten des vierseitigen

ίο Rahmens stehen.

Das bevorzugte Mittel zur Krafttransformierung äußerer Drücke bzw. Spannungen in Flächenscherspannungen besteht aus einem oder zwei sogenannten doppelbogenförmigen Flächen. Im folgenden werden diese doppelbogenförmigen Flächen noch öfters erwähnt, dabei ist ein Diaphragma zu verstehen, welches etwa in bzw. nahe einer Ebene liegt und so geformt ist. daß Flächenscherspannungen, die den Umfang der Fläche zugefügt werden, in der Ebene, in welcher das Diaphragma liegt, Relativverschiebungen des Diaphragmas zu seinem Umfang bewirken, wobei diese Verschiebungen relativ starke Komponenten senkrecht zur Ebene aufweisen. Der Begriff einer doppelbogenförmigen Fläche umfaßt auch andere Mittel, seien sie nun in der Form eines Diaphragmas oder in einer sonstigen Anordnung ausgebildet, die in der Lage sind, solche Flächenscherspannungen in ein äußeres Spannungssystem z>· transformieren. Das trifft selbstverständlich auch auf das Gegenteil zu. daß nämlich die doppelbogenförmigen Flächen Ablenkungen bzw. Kräfte senkrecht zu der allgemeinen Ebene ihres Umfanges in Kräfte transformieren, die an ihrem Umfang anfallen, wobei der Umfang in der Ebene einem nahezu einheitlichem Flächenscherspannungssystem entspricht.

Die Spannungen im Inneren der Stäbe erzeugen elektrische Signalfelder bzw. elektrische Signalfelder erzeugen Spannungen in den Stäben, wobei diese Felder mit Bezug auf die Stäbe bzw. auf den Stab orientiert sind. Diese Signalfeldrichtungen können längs einer der drei Dimensionen des Stabes verlaufen und können auch symmetrisch zu dem mittleren Stabbereich orientiert sein. Beispielsweise können sie von dem minieren Siabbcreich, aiso vom Siabiiiiueipunki in Längsrichtung zu den Enden des Stabes gerichtet sein; diese besondere Konfiguration kann bedeutende Vorteile aufweisen, darin eingeschlossen, daß es möglich ist, daß die Stabenden und die Spannungstransformierenden Mittel ein gemeinsames Erdpotential aufweisen, wobei der Mittelpunkt der Stäbe eine Signalelektrode bzw. einen Signalanschiuß mit Bezug auf das gemeinsame Erdpotential darstellt Eine beträchtliche Anzah¹ anderer möglicher Ausbildungsformen ist ebenfalls denkbar, wie im übrigen der nachfolgenden Beschreibung entnommen werden kann, in welcher Aufbau und Wirkungsweise von Ausführungsbeispielen der Erfindung sowie weitere Vorteile derselben anhand der Figuren im einzelnen näher erläutert wird. Dabei zeigt

F i g. 1 in explodierter Darstellung einen elektroakustischen piezoelektrischen Wandler bzw. eine Zelle gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig.2 zeigt eine Draufsicht der Anordnung nach Fig. 1, wobei die doppelbcgenförmigen Flächen und einige elektrischen Elemente weggenommen sind,

F i g. 3 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie 3-3 der F i g. 2 mit sämtlichen Bauelementen,

F i g. 4 stellt in Aufsicht einen Querschnitt durch ein Mikrophon eines Hörapparates dar, wobei der in den

F i g. 1 bis 3 dargestellten Wandler eingebaut ist,

Fig.5 zeigt die Darstellung der Fig.4 in einer Seitenansicht von links,

Fig.6 zeigt in einem Längsschnitt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Erzielung eines Wandlers unter Verwendung eines anderen piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten zur Herstellung eines soger^öhten »Lautsprecher-Typs«,

F i g. "a und 7b zeigen in Form eines Diagramms die bei einem idealisierten erfändungsgemäßen Wandler auftretenden Kräfte,

F i g. 8 zeigt, ebenfalls als Diagramm in übertriebener Darstellung die Biegung des Wandlerrahmens bei einer Flächenscherablenkung, während die

Fig.9 ein Verfahren zur Polarisierung und Herstellung eines Ausführungsbeispiels eines piezoelektrischen Stabes zeigt.

Wie erwähnt, zeigt F i g. 1 die explodierte Darstellung der hauptsächlichen Teile eines elektroakustischen Wandlers bzw. einer »Zelle«, die allgemein mit 12 bezeichnet ist (siehe auch die Fig.4 und 5). Die Zelle besteht aus einer Behälteranordnung, deren Seiten aus einem im allgemeinen rechteckigen oder quadratisch geformten Rahmen 14 bestehen, der vorzugsweise auf einem Material mit einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einem relativ hohem Elastizitätsmodul hergestellt ist, beispielsweise aus einer Nickel-Eisenlegierung, die 36% Nickel enthält und allgemein als »Invar« bezeichnet wird. Aus Gründen einer gestrafften Darstellung soll im folgenden in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen unter dem Begriff »rechteckförmig« auch eine quadratische Ausgestaltung oder andere üblicherweise mögliche Formen verstanden werden. Der Rahmen des Behälters selbst ist goldplattiert, um Oberflächen zu bilden, die einen guten elektrischen Kontakt mit den Stäben aufweisen, auf die im folgenden noch genauer eingegangen wird.

Doppelbogenförmig ausgebildete Flächen 16 und 18, die allgemein als sattelförmige metallische Diaphragmen bzw. Membranen ausgebildet sind, weisen um den Umfang laufende Flanschen 20 und 22 auf; diese Flanschen sind mit Flanschen zusammengebaut, die an den K-anten des Kahmens angebracht sind. Dadurch wird ein Behälter gebildet, der die in ihm enthaltenden Teile schützt.

Die Struktur und die Konfiguration dieser doppelbögigen Flächen sind an sich bekannt. Das sattelförmig ausgebildete Zentralgebiet ist vorzugsweise von weicher Krümmung, wobei weiterhin vorzugsweise jede doppelbogenförmige Fläche zu der anderen spiegelsymmetrisch ausgebildet ist. Die erwähnten Flanschen liegen in einer Ebene, wobei die Zentralbereiche der doppelbogenförmigen Fläche mit dieser Ebene über integrale Randleisten 23 unterschiedlicher Höhe verbunden sind. Die Randleisten 23 weisen eine maximale Höhe an diagonal gegenüberliegenden Ecken auf und eine minimale Höhe an den anderen beiden, sich ebenfalls diagonal gegenüberliegenden Ecken. Andere geeignete Konfigurationen doppelbogenförmig ausgebildeter Flächen sind in dem schon erwähnten US-Patent 24 03 692 beschrieben. In sämtlichen Ausbildungsformen weisen diese doppelbogenförmigen Flächen die Eigenschaft auf, daß von ihnen Kräfte, die senkrecht auf ihren Hauptflächen einwirkende Komponenten aufweisen, in solche Kräfte transformiert und an der Peripherie auf den Rahmen Obertragen werden, daß diese sich als Flächenscherspannungen auswirken, d. h. die Spannungen haben eine solche Wirkung, daß sie zwei diagonal gegenüberliegende Ecken des Rahmens aufeinander zu und gleichzeitig die beiden anderen diagonal gegenüberliegenden Ecken auseinander drükken, wobei sich bei Kräften in entgegengesetzter Richtung der umgekehrte Effekt einstellt. Damit ist die Zelle 12 als Ganzes auf Flächenscherwirkungen ansprechbar, beispielsweise hervorgerufen durch akustische Wellen, die auf die doppelbogenförmigen Flächen auftreffen. Die beiden doppelbogenförmigen Flächen sind so auf dem Rahmen angeordnet, daß dann, wenn die beiden Zentralregionen der Flächen zur gleichen Zeit nach innen gedruckt oder gepreßt werden, sich die auf den Rahmen übertragenden Flächenscherspannungen in der gleichen Richtung auswirken und sich addieren.

Befinden sich die doppelbogenförmigen Flächen 16 und 18 in dem Rahmen eingebaut, dann bilden die sattelförmigen Hauptflächen Ausnehmungen in dem Rahmen 40. während die Randleisten 23 und die Flansche 20 und 22 jeder Fläche mit dem Rahmen mittels eines Epoxydklebers, mittels Weichlötung oder auf sonstige Art verbunden sind.

Diagonal über und innerhalb des Rahmens 14 erstrecken sich ein Paar piezoelektrische Stäbe 24 und 26. Diese Stäbe sind vorzugsweise aus einem piezokcramischen Material wie beispielsweise aus einem Blei-Zirkonat-Titanat polykristallinem Körper einer im Handel erhältlichen Form oder aus einem äquivalenten Material hergestellt. Der Stab 24 weist ein paar zentrale bzw. Mittelpunktselektroden 28 auf (siehe Fig. 2 und 3) und zwei Paar Endelektroden 30 (siehe F i g. 2), die jeweils in rechteckförmigen Öffnungen angebracht sind, die in Auskehlungen 32 des Rahmens eingearbeitet oder ausgestanzt sind. In ähnlicher Weise umfaßt der Stab 26 ein Paar Mittelpunktselektroden 34 und zwei Paar Elektroden 36. die jeweils wieder in rechteckförmigen Ausnehmungen in in den Rahmen eingeformten Einschnitten 38 angeordnet sind. Eine solche typische Öffnung stellt eine der in Fig. 3 mit 40 bezeichneten Ausnehmungen bzw. Auskehlungen dar, die vorzugsweise noch, wie in Fig. 3 gezeigt, für den Stab ein vertikales Spiel bzw. einen Abstand aufweist. Sämtliche dieser tiektroden oestehen vorzugsweise aus überzügen auf einer pulvrigen Basis eines Edelmetalls, sind mittels Glas oder Glasfasern miteinander verklebt und auf dem Stabmaterial aufgeschmolzen oder sonstwie aufgebracht.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Stäbe elektrisch in den Richtungen gepolt, die durch die durchgezogenen Pfeile 41 in F i g. 2 angedeutet sind. Jeder Stab ist in Richtungen parallel zu seiner Längsausdehnung gepolt. Dabei ist der eine Stab in einer Richtung ausgehend von seiner Mittelelektrode nach einer seiner Endelektroden und in der anderen Richtung ausgehend von seiner Mittelelektrode nach der anderen seiner Endelektroden gepolt, während der andere Stab in der einen Richtung von einer seiner Endelektroden zur Mittelelektrode und in der entgegengesetzten Richtung von der anderen seiner Endelektroden zu der Mittelelektrode gepolt ist Ein geeignetes Verfahren zum Ausführen der Polungen der Stäbe ist weiter unten in Verbindung mit F i g. 9 beschrieben. Die Stäbe können durch die Öffnungen wie bei 40 dargestellt entweder eingeschoben werden oder es kann so vorgegangen werden, daß ein Ende des Stabes durch eine öffnung geschoben wird und die andere dann eingesetzt wird, sofern hierbei das vertikale Spiel der Öffnung ausreichend ist.

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Der elektrische Kontakt zwischen den sich gegenüberliegenden Mitlelelektroden 28 und 34 wird durch eine gekrümmte, aus einer Goldlegierung bestehenden Blattfeder 42 hergestellt (siehe Fig.3), die außerdem jeden der beiden Stäbe mit ausreichender Kraft so weit nach außen in die jeweils vorgesehenen Ausnehmungen bzw« die Stäbe allgemein auseinander drückt, so daß an jedem Ende des Stabes zwischen einei' der Elektroden 30 bzw, 36 und der entsprechenden öffnung ein betriebssicherer elektrischer Kontakt gebildet wird. Zu diesem Zeitpunkt Während des Zusammenbaues kann man ein geeignetes Klebemittel, beispielsweise einen Epoxydklebstoff in die fünf Verbindungsstellen einfließen lassen, um Anfüllungen 44 und 46 herzustellen. Nachdem das Klebemittel ausgehärtet ist, was bei solchen Temperaturen vorgenommen werden kann, daß eine Entpolarisierung der Stäbe vernachlässigbar ist, werden die Enden der Stäbe allgemein leicht nach außen über die Öffnungen in dem Rahmen hervortreten. Diese Hervorireiungen können, beispielsweise durch eine Feil- bzw. Abschleifeinwirkung mittels Diamanten entfernt werden, um Stabenden herzustellen, die mit den Außenseiten der Rahmenausnehmungen 32 und 38, wie in den Zeichnungen dargestellt, bündig abschließen. Anschließend werden Eckplatten 48, die aus einem einen hohen Elastizitätsmodul aufweisenden Material hergestellt sind, mittels eines ähnlichen Klebmittels auf die Außenseite der Ausnehmungen in dem Rahmen aufgebracht. Der Sinn dieser Eckplatten 48 liegt darin, die elastische Steifigkeit der Verbindungen zwischen den Stäben und dem Rahmen zu verstärken. Das Klebemittel in den Stoßfugen bzw. Stoßverbindungen zwischen den Stäben und den Eckplatten sowie zwischen den Eckplatten und den äußeren Auskehlungen des Rahmens ist teilweise eingeengt und beschränkt, und zwar deshalb, weil die seitlichen Ausdehnungen der Stoßverbindungen größer als die Filmdicke des Klebstoffes sind. Da in den Stoßverbindungen das Klebemittel im wesentlichen unter Spannung bzw. Druckspannung liegt, erhöht die teilweise Beengtheit des Klebemittels den effektiven Elastizitätsmodul desselben auf einen beträchtlich größeren Wert a|c ripn Vnimc'cohpn.PjoclijiyälcmnrJul rloc Klebern!!!?!?

Dieser ist wiederum nahezu dreimal so groß als der Elastizitätsmodul bei Schereinwirkung, welche auf das Klebmittel in der öffnung 40 während der noch zu beschreibenden Betriebsweise des Systems anwendbar ist.

Wird das System wie soeben beschrieben zusammengesetzt, dann weist die in den F i g. 1 und 3 dargestellte Struktur einen sehr hohen Widerstand gegen ein mechanisches Zerbrechen der Stäbe auf, wenn die Anordnung mechanischer Schockeinwirkung ausgesetzt wird.

Beim Betrieb des in den F i g. 1 bis 3 gezeigten Systems wird der Stab 24 auf Druck und der Stab 26 auf Zugspannung beansprucht, wenn in dem durch Pfeile 50 in Fig.2 dargestellten Richtungen Flächenscherkräfte pro Einheitslänge N_xy von den doppelbogenförmigen Flächen auf den Umfang des Rahmens 14 übertragen werden. Handelt es sich bei dem piezokeramischen Material um eine Art, die sich bei einer Polung in Polrichtung verlängert, dann führen diese Spannungen in dem Stab zu signalmäßigen Polarisierungen, wie sie in F i g. 2 durch die gestrichelten Pfeile 53 angdeutet sind, also parallel zu der längsweisen Streckung der Stäbe. Das bedeutet, daß in diesem besonderen F-jll die elektrische Polarisierung sämtlich nach innen vom Rahmen zu den Miltelelektroden zeigt. Da die Mittelelektroden elektrisch miteinander verbunden sind und da der Rahmen einen gemeinsamen Kontakt für die Enden der Stäbe darstellt, weist das System vier im wesentlichen kapazitive Generatoren auf, die jeweils die gleiche Spannung, die gleiche Spannungspolarität und die gleiche Kapazität haben und die aufgrund des natürlichen Aufbaus ihrer Konstruktion elektrisch parallel liegen. Aufgrund der Gleichheit der Signalspannungen sind die elektrostatischen Signalenergien der vier kapazitiven Generatoren additiv. Bei diesem Ausführungsbeispiel, welches bevorzugt für die Wandlung mechanischer in elektrische Schwingungen, wie sie beispielsweise bei einem Mikrophon auftreten verwen· det wird, liegt ein wichtiger Vorteil in der wirkungsvollen Erzeugung einer elektrischen Signalspannung im Mittelpunkt der Struktur und bezogen auf eine äquipotentielle Peripherie. Werden die Richtungen der Flächenscherkräfte wie durch die Pfeile 50 angedeutet umgekehrt, dann kehren sich die Richtungen 52 der Signalpolarisationen ebenfalls um und zeigen dann nach außen. Das bedeutet, daß die Arbeitsweise des Systems im wesentlichen linear ist, so daß dieses im linearen elektromechanischen bzw. elektroakustischer. Anordnungen wie Mikrophone, Aufnehmer von Phonographen oder dgl. verwendet werden kann.

In der anderen Richtung einer Energieübertragung verursacht eine Spannungsdifferenz, die zwischen die gemeinsamen Mittelelektroden und dem Rahmen angelegt ist, die Expandierung eines Stabes und das Zusammenziehen des anderen Stabes. Dies bewirkt, daß der Rahmen in einer Ebene (und zwar in der Ebene der Fig. 2) Flächenscherkomponenten einer Bewegung übernimmt, was zu Bewegungen der zentralen Teile der doppelbogenförmigen Flächen führt, wobei sich beide doppelbogenförmigen Flächen zur gleichen Zeit entweder nach innen auf die Stäbe zu oder nach außen von den Stäben weg bewegen, was von der Polarität des angelegten Signals abhängt.

Jede doppelbogenförmige Fläche besitzt aufgrund der Natur ihrer Konfiguration eine vemachläßigbare Selbststeifigkeit größer als die Biegesteifigke.i, die sie jlikttn \\ii\fAct «*>ar»r* *>«<» öle fU^Ua Dlotto qucnaKiMal

wäre. Mit Selbststeifigkeit ist die Steifigkeit der doppelbogenförmigen Fläche in dem Falle gemeint, daß eine Bewegung ihrer Peripherie in jeder Richtung parallel zur Ebene ihres Flansches frei und ungezwungen verläuft. Dieser Umstand erklärt teilweise, warum das soeben beschriebene Ausführungsbeispiel einen hohen gesamtelektromechanischen Kupplungskoeffizienten aufweist. Von gleicher Bedeutung ist der Umstand, daß dieser Koeffizient, wie weiter unten noch genauer beschrieben, von dem Rahmen sehr wenig herabgesetzt wird. Weiterhin ist darauf hinzuweisen, daß das bei dem soeben beschriebenen Ausführungsbeispiel die elektrische Kapazität gering ist, und zwar aufgrund des relativ großen Abstandes zwischen den Mittelelektroden und dem Rahmen und dem relativ kleinen Querschnitt der Stäbe.

In diesem Fall ist es eine wahlweise Möglichkeit, ob man die Elektrodenpaare 28, 30, 34 und 36 auf den entgegengesetzten Seiten der Stäbe paarweise miteinander verbindet Das System arbeitet auch ohne solche äußerlich angebrachten leitenden Maßnahmen, und zwar aufgrund der relativ hohen Kapazität zwischen "solchen Elektrodenpaaren.

Wie in F i g. 1 und 3 dargestellt, ist ein Transistorverstärker in Form eines Chips 54 über eine Elektrode 28

mit dem Stab 24 verbunden, wobei eine der elektrischen Verbindungen für den Chip durch die verbundene Fläche hergestellt wird. Äußere Anschlüsse 56, 58 und *-?0 sind durch Löcher in dem Rahmen 14 geführt und aus einem mittels eines Filmes isolierten Draht ähnlich einem Magnetdraht hergestellt. Die Anschlüsse 56 und 60 sind am Rahmen befestigt, jedoch zu diesem elektrisch isoliert, während der Anschluß 58 den Rahmen elektrisch kontaktiert, beispielsweise durch Punktschweißung, um auf diese Weise eine elektrische Verbindung mit den Elektroden 30 und 36 an den Enden der Stäbe herzustellen. Innere Drähte 62 verbinden den Chip 54 mit den Anschlüssen 56,58 und 60.

Eine nicht dargestellte Entlüftung kann weiterhin an dem Rahmen 14 angebracht sein, um den atmosphäriichen Druck in dem eingeschlossenen Raum 63 (F i g. 3) und dem Äußeren der Zelle gleichzumachen. In (ewissen Fällen kann es sich als zweckmäßig erweisen, die Zelle ohne die Entlüftung herzustellen, beispielsweise als heriiieiisi'ii biw. im wcsciiun-ncu heimeiiSCn Zu ibgedichteten Behälter, da auf diese Weise ein Schutz des Transistorverstärkers gegen nachteilige äußere Einflüsse erzielt wird.

Γη den Fig.4 und 5 ist die Ausführung eines Mikrophons dargestellt, welches die Zelle 12 wie in den Fig. 1 und 2 beschrieben und dargestellt enthält. Die Zelle ist innerhalb eines rohrförmigen Metallgehäuse« •4 von dem allgemeinen rechteckförmigen Querschnitt nachgiebig gelagert, und zwar mittels acht elastomerer bzw. gummiartiger Stützen 66. Diese Stützen oder Träger sind L-förmig geformt und vor Einsetzen in das Gehäuse mittels Klebstoff mit der Zelle 12 verbunden. Das Gehäuse ist an einer Seite von einer Deckplatte 68 abgeschlossen, die eine akustische Einlaßröhre 70 aufweist mit einer öffnung 72, die sich durch die Deckplatte erstreckt. Innerhalb des Gehäuses ist eine U-förmige Querwand 77 montiert, um für die angrenzenden, elastomeren Stützen eine Lagerung zu ergeben Und um aufgrund ihrer Hauptkanten eine Position für eine Endplatte 76 festzulegen. Die Anschlüsse 56,58 und 60 sind mit gelöteten Anschlüssen 78 an der Platte 76 verbunden. Vorzugsweise trägt die Endplatte 76 einen l^ir^filmcr^haltlrrAlC Ollf iKr*»r innertin Plö^Ko Her ϊη Verbindung mit dem Transistorverstärker innerhalb der Zelle 12 verwendet wird. Auf diese Weise wird der Raum zwischen der Endplatte 76 und der gegenüberliegenden Hauptfläche der Querwand 74 für einen Dickfilmschaltungsaufbau verwendet, außerdem für die Anschlüsse 56, 58 und 60. Die Anschlüsse sind so angeordnet, daß ein Maximum an elastischer Nachgiebigkeit zwischen den gelöteten Anschlüssen 78 und dem Eintritt der Anschlüsse durch den R-ahmen der Zelle 12 erhalten wird. Aufgrund einer solchen Anordnung dieser Anschlüsse wird die elastische Lagerung der Zelle im Inneren des Gehäuses hauptsächlich aufgrund der elastomeren Träger 66 erzielt Diese elastomeren Träger 66 sind auf die Mittelpunkte der Rahmenseiten ausgerichtet, so daß sich Kräfte, die von den Trägern als Folge einer Beschleunigung des Gehäuses 64 in Richtungen parallel zu der Ebene 4 auf den Rahmen ausgeübt werden, nicht elektromechanisch mit den Signalelektroden des Wandlers koppeln. Die Nachgiebigkeit (Compliance) der Träger reduziert solche Kräfte auf ein Minimum und schwächt gleichermaßen die Beschleunigung der Zelle 12 verglichen mit der des Gehäuses 64 ab, wenn das Gehäuse senkrecht zur Ebene der Fig.4 beschleunigt wird. Die Nachgiebigkeit der Träger verhindert auch eine erzwungene Bewegung des Rahmens als Antwort auf eine elektroakustische Übertragung. Die gesamte Struktur ist sehr widerstandsfähig gegenüber mechanischer Schockeinwirkung und weist im wesentlichen auch keine Beschleunigungsempfindlichkeit vom Gesichtspunkt einer mechanischen Vibration, wie weiter oben schon ausgeführt, auf. Beide Eigenschaften sind bei Hörgeräjen und ähnlichen Anwendungsfällen von extremer Wichtigkeit, bei welchen ein Versagen der elektroakustischen Wandlerkomponenten zum überwiegenden Teil die Folge einer Zerstörung durch mechanische Schockeinwirkung ist und bei welchen eine Beschleunigungsempfindlichkeit des elektroakustischen Wandlers «ine der Hauptquellen unerwünschter Rückkopplung vom Ausgang auf den Eingang des Systemes darstellt. Mechanische Vibratioiiseffekte dieser Art verursachen Rückkopplungsschwingungen bei Systemen bekannter Art, es sei denn, beide Wandler sind gegeneinander extrem federnd abgekämpft, um eine ausreichende Dämpfung des ~:üc

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Das in den Fig.4 und 5 gezeigte Mikrophon kann steif und fest im Gehäuse von anderen Apparaturen und Geräten, beispielsweise von Hörhilfen eingebaut und verklebt werden, wobei aufgrund der beschriebenen Struktur der »in situ«-mechanische Schockwiderstand und die Unempfindlichkeit gegenüber Beschleunigungseigenschaften exzellent sind. Daraus resultiert eine solche Raumersparnis und eine Vereinfachung dieser Geräte, daß die Anwendungsmöglichkeiten erfindungsgemäßer Wandler beträchtlich erhöht werden.

Fig.7a zeigt in einem schematischen Diagramm die Wirkung einer gleichmäßigen Flächenscherkraft pro Einheitslänge N_xy, die einem idealisierten Rahmen 14' zugeführt wird, welcher eine Wanddicke von Null aufweist und mit Stäben 24' und 26' verbunden ist, die ebenfalls idealisiert sind und eine Breite von Null aufweisen. Aufgrund der Struktursymmetrie teilt sich die Gesamtkraft, die längs einer Seite des Rahmens ausgeübt wird, in zwei Hälften, die am Ende jeder Seite angreifen. Dies ist in Fi^. 7b dargestellt, die die Kraftkomponenten zeigt, die auf das untere Ende des Stabes 24' in Fig. 7a ausgeübt werden. Aufgrund des I Irr^tanries daß die Kraftkomponenten proportional zur Länge der entsprechenden Seiten des Rahmen^ sind, verläuft die resultierende Gesamtkraft 79 entlang und parallel zur Achse RO des Stabes 24'. Bei der tatsächlichen Ausführungsform mit einer endlichen Stabbreite und mit entsprechenden Ausnehmungen des Rahmens ist die Geometrie etwas geändert, so daß die resultierenden Kräfte nicht langer genau parallel zur Achse der Stäbe verlaufen. Darüber hinaus sind Kräfte erforderlich, um den Rahmen zu biegen, was eine zusätzliche Ablenkung der resultierenden Kräfte von ihrem parallelen Verlauf zu den Achsen der Stäbe !bedeutet. Gleichgewicht wird durch Momente und Querkräfte in der Ebene der F i g. 7 erreicht, die auf die Enden der Stäbe ausgeübt werden, wobei diese parasitär in dem Sinne sind, daß sie elektromechanisch nicht mit den elektrischen Anschlüssen des Systems gekoppelt sind. Bei tatsächlichen Ausführungsformen sind diese Effekte jedoch sehr gering und Rahmen, die im wesentlichen rechteckförmig verlaufen, sind ohne Einschränkung von praktischer Verwendungsfähigkeit

F i g. 8 zeigt ein schematisches Diagramm, welches in stark übertriebener Deformation einen idealisierten, nicht mit Ausnehmungen versehenen Rahmen darstellt, bezogen auf den nicht deformierten Rahmen, der durch unterbrochene Linienführung angedeutet ist Ob nun in

Kombination mit doppelbogenförmigen Flächen oder nicht, die rechten Winkel in der Nachbarschaft der Ecken des Rahmens widerstehen einer Deformation des Rahmens, so daß es notwendig ist, daQ der Rahmen sich biegt, wenn er sirh deformiert. In Kombination mit den doppelbögigen Flächen wird die Biegung des Rahmens teilweise von diesen Flächen erzwungen. Zur Biegung des Rahmens ist Energie notwendig und diese Energie ist am unbedeutendsten (Null) wenn die Wanddicke des Rahmens Null ist Jedoch dient jede Rahmenseite dazu, die auf ihre Kanten pro Einheitslänge ausgeübten Scherkräfte zu transformieren und sie in Richtung auf die Enden der Stäbe zu zwingen, was dann die Verschiebung der Stabenden bewirkt und die entsprechende Biegung des Rahmens. In jeder der Rahmenseiten existiert ein Membranen-Kraftsystem, um diese Transformation durchzuführen. Dieses Kraftsystem resultiert auch in einer Speicherung elastischer Energie, die geringer wird, wenn die Wanddicke des Rahmens größer wird. Da diese beiden Energien von der Gesamtenergie, die dem Rahmen-Stabsystem zugeiiefert wird, subtrahiert werden muß, um die Energie zu ergeben, die in dem Stabpaar gespeichert ist, gibt es ein Optimum für die Wanddicke des Rahmens, derart, daß der elektromechanische Kopplungskoeffizient des Rahmen-Stabsystems optimal ist. Je höher der Elastizitätsmodul des Rahmenmaterials, um so dünner ist die optimale Wanddicke und um so größer wird der entsprechende elektromechanische Kopplungskoeffizient des Systems sein, je mehr man sich dem piezoelektrischen Kopplungskoeffizient des Stabes annähert. In diesem begrenzten Sinne ist das Verhalten des Rahmens analog zu dem der doppelbögigen bzw. doppelbogenförmigen Flächen. Zur gleichen Zeit ist jedoch klar, daß sich der Rahmen in vieler Hinsicht von den doppelbögigen Flächen unterscheidet. Kombiniert mit einer doppelbogenförmigen Fläche und einem Stab kommt die Bedeutung des Rahmens der doppelbögigen Fläche selbst nahe. Kombiniert mit einem Stab bildet der Rahmen ein neues wesentliches Element für die Erzielung einer Struktur, die über einen Umfang auf eine Flächcnschcrwirkung anspricht.

Die Zelle 12 der Fig. 1 und 3 kann von einem Stift angetriebene, doppelbogenförmige Flächen verwenden, wie diese in dem erwähnten US-Patent 24 03 692 beschrieben ist. Fi g. 3 zeigt jedoch einige der Vorteile, die man erhall, wenn die doppelbogenförmigen Flächen die einzigen Membranen bzw. Diaphragmen eines elektroakustischen Wandlers unter Verwendung der Zelle der F i g. 1 bis 3 sind. In diesem Fall wirken sich akustische Druckdifferenzen direkt auf die Flächen 16 und 18. wie weiter oben beschrieben, aus und akustische Volumenverdrängungen werden ausschließlich durch Ablenkung der doppelbogenförmigen Flächen hervorgerufen. Gestrichelt dargestellte Teile 82 und 84 in Fig. 3 zeigen die Richtung der jeweils auf die doppelbogenförmigen Flächen 16 und 18 angewendeten Kräfte, wenn der äußere Druck den Druck in dem Raum 63 übersteigt. Diese Kräfte führen zu Flächenscherkräften, die in jeder dgppelbogeniörmigen Fläche das gleiche Vorzeichen haben und die sich auf Kopfteil und Bödenteil des Rahmens 14 additiv auswirken, UnI das Rahmen-Stabsystem anzutreiben, wie weiter oben beschrieben. Wird andererseits die ganze Zelle 12 in der durch den Pfeil 86 angedeuteten Richtung beschleunigt, beispielsweise durch mechanische Vibration oder durch Schockeinwirkung, dann würden die daraus resultieren* den Trägheitskräfte aufgrund der Masse der doppelbogenförmigen Flächen in die Richtung des Pfeiles 88 für die Fläche 16 und des Pfeiles 90 für die Fläche 18 wirken. In .dem Maße, in welchem die Zelle elastisch-symmetrisch ist, was annähernd bis zu einen sehr hohen Grad zutrifft, würden sich die Flächenscherkräfte, die von jeder doppelbogenförmigen Fläche in diesem Fall auf den Rahmen 14 ausgeübt werden, gegeneinander aufheben, so daß keine Nettoscherkräfte vorhanden wären, die zwischen den Mittelpunkiselektroden und dem Rahmen 14 eine elektrische Signalspannung erzeugenden könnten. Obwohl sich die Stäbe aufgrund ihrer eigenen Masse unter dieser Beschleunigung leicht verbiegen würden, wären die resultierenden Spannungen nicht elektromechanisch mit den Signalelektroden gekoppelt. Daraus folgt, daß im wesentlichen eine Beschleunigungsempfindlichkeit der Zelle nicht vorhanden ist, verglichen mit elektroakustischen Wandlern, bei denen keine Aufhebung stattfindet; gerade dieser Umstand ist außerordentlich wichtig bei einer beträchtliehen Anzahl von Anwendungsfällen. Eine andere Folge ist, daß sich auf die gleiche Weise mechanische Schockbeschleunigungsimpulse, die in Richtung der Pfeile 86 einwirken, aufheben; es ist lediglich notwendig, daß die Stäbe in der Lage sind, die Trägheitswirkungen ihrer eigenen Massen unter solcher Schockeinwirkung zu ertragen. Da jeder Stab an beiden Enden am Rahmen 14 befestigt ist, ist die Biegefestigkeit der Stäbe unter Schockeinwirkupg sehr hoch und mehr als angemessen für sämtliche praktischen Anwendungsfälle.

Obwohl somit die doppelbogenförmigen Flächen eine geringe Selbststeifigkeit, wie weiter oben schon erwähnt, aufweisen, ist jede mit dem Rahmen verbunden. Unter dem Einfluß von Trägheitskräften entwickeln die doppelbogenförmigen Flächen Membrankräfte /V_t> entgegengesetzten Vorzeichens, die über den Rahmen in einer solchen Weise miteinander verbunden werden, daß eine Formänderung bzw. Deformation des Rahmens vernachlässigbar ist. Als Folge ist die Gesamtsteifigkeit der doppelbogenförmigen Flächen mit Bezug auf Trägheitskräfte und -einwirkungen sogar größer als die Gesamtsteifigkeit mit Bezug auf akustische Drücke, und dementsprechend werden die doppelbogenförmigen Flächen nur bescheiden und im wesentlichen linear ausgelenkt bzw. ausgebogen, wenn große Beschleunigungswerte aufgrund mechanischer Schockimpulseinwirkungen auftreten.

Wie weiter vorn schon erwähnt, stellt das Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1 bis 3 eine bevorzugte Ausführungsform für die Wandlung von Energie in die elektrische Form dar, und zwar deshalb, weil der piezoelektrische Kopplungskocffizient eines piezokeramischen Elementes am größten ist. wenn die Polarisierungsrichtung in Richtung der Dehnungs-Druckspannungssignalkräfte erfolgt und deshalb, weil die Weglänge zwischen den Signalelektroden (in diesem Falle zwischen den Mittel- und den Endclektroden) maximal ist. Als Folge ist die elektrische Leerlauf-Signalspannung relativ groß für das Ausführungsbeispiel der F i g, 1 bis 3. Eine Folge davon ist jedoch, daß die elektrische Kapazität des Wandlers bei diesem Ausführungsbeispiel minimal ist. Das bedeutet, daß man die hohe Leerlauf-Signalspannüng mit Vorteil nur verwenden kann, wenn die Impedanz des elektrischen Lastkreises des Wandlers mindestens mil der des Wandlers selbst vergleichbar ist. Beispielsweise hat ein Wandler, der üblicherweise erhältliche piezokeramische Elemente verwendet und gemäß den Fig. j bis 3 aufgebaut ist,

eine typische elektrische Kapazität von lediglieh einigen wenigen Picofarad. Es ist deshalb wesentlich, daß ein elektronischer Verstärker so nahe wie möglich an die Anordnung der Mittelpunktselektroden herangebracht wird, was dadurch erreicht wird, daß man den Chip 54, der den Transistorverstärker darstellt, direkt auf eine Mittelelektrode 28 montiert und weiter so vorgeht, daß die die Elektrode berührende Fläche des Chips, wie weiter vorn schon erwähnt, den hocnohmigen Eingangsanschluß des Verstärkers darstellt.

Piezokeramische Stäbe wie die mit dem Bezugszeichen 24, 26 versehenen können passend aus längeren Streifen, wie in Fig.9 dargestellt, hergestellt werden. Ein Streifen eines piezokeramischen Materials 92 trägt seine äußeren Kanten umgebende Elektroden 94 und ein Paar zentraler Elektrodenstreifen 96, einen auf jeder Hauptfläche. Die mit Elektroden versehenen Streifen können mittels üblichen Techniken, die dem besonderen piezokeramischen Körper angepaßt sind, in die durch die Pfeile 98 angegebenen Richtungen gepolt sein. Solche Techniken sind beispielsweise in dem schon erwähnten US-Patent 25τΟ412 angegeben. Danach kann der Streifen auf eine flache Oberfläche montiert werden, und /war mittels eines bei relativ geringen Temperaturen warmschmelzenden Klebstoffes. Stäbe wie der mit 24 be/eichnete können dann durch Zerschneiden des Streifens, beispielsweise mittels eines diamantbesct/ten Schleifrades hergestellt weiden, wobei der Schnitt entlang der gebrochen dargestellten Linie 100 erfolgt: anschließend werden die Stäbe abgenommen und in einem Lösungsmittel für den Klebstoff gereinigt. Stäbe wie der mit 2b bezeichnet können gleichfalls auf diese Weise hergestellt werden, indem man die Polarität der GleichspannungsPolungsspannung umkehrt und auf diese Weise auch die Polung indem Streifen 29.

Bei dem Ausführungsbcispiel der tig. I bis 5 sind darüber hinaus verschiedene Änderungen möglich. Beispielsweise kann, obwohl vorzugsweise zwei Stabe verwendet werden, das System .iiich mit einem einzigen Stab in Verbindung mil dem Rahmen betrieben werden. In ähnlicher Weise arbeitet das System auch nut einer einzigen doppclbogenformigcn Flache in Kombination mit dem Rahmen und mit entweder einem oder /wci Stäben, obwohl auch hier wiederum zwei !lachen bevor/upl sind.

Du· I 1 g. b /cigl ein .indercs Ausfüliningsheispicl der Erfindung, wobei cmc unierschicdliche Polansierungs richtung der Stabe vorliegt Der Rahmen 14 ist mit dem Rahmen der f ig. I bis 3 identisch, es werden ledoch pie/okenimischc Släbc 100 und 102 verwendet. Der Slab 100 wcisl llckirodcn 104 und 106 an seinen HiMipiflachen auf. während der Stab 102 an seinen flachen mn elektroden 108 und 110 versehen ist. leder Stab lsi in Richtung seiner Dicke polarisier!, wie cl.i«.

durch den dick ausgezogenen Pfeil 112 angedeutet ist. Die Elektroden erstrecken sich nicht bis zum Rahmen 14. Die Blattfeder 42, die mit der der Fig. t bis 3 identisch sein kann, verbindet die Elektroden 106 und 108. Die beiden Stäbe sind elektrisch parallel mit einem gemeinsamen Anschluß 114 angeordnet, wobei dieser Anschluß zu den Elektroden 104 und 110 führt; ein weiterer Anschluß 116 führt zur Elektrode 106. Die Richtungen der Signalpolarisationen für die Richtung der Scherspannung, die in Fig.2 durch Pfeile 50 angezeigt ist. sind hier durch gestrichelt ausgeführte Pfeile 118 über die Dicke der Stäbe angedeutet Dieses Ausführungsbeispiel, bei welchem die Stäbe an ihren Hauptflächen mit Elektroden versehen sind, wird für eine Wandlung bzw. Umsetzung eines elektrischen in ein mechanisches Signal verwendet, obwohl der in Fig. 6 verwendete piezoelektrische Queri^pplungskoeffizient lediglich die Hälfte des piezoelektrischen Längskopplungskoeffizienten beträgt, der bei dem Ausführungsbeispiel der F i g. 1 bis 3 verwendet wird. Das geschieht deshalb, weil die elektrische Spannung, die erforderlich ist, um eine vorgegebene mechanische Verschiebung zu erzeugen, bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 6 beträchtlich geringer als bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis3ist.

Auch Stäbe, die aus einem piezoelektrischen Material eines Einkristalles bestehen, können ebenfalls an Stelle des in dem Ausführungsbeispiel der F i g. 6 verwendeten und beschriebenem piezokeramischen Materials verwendet werden. Darüber hinaus kann das Ausführungsbeispiel nach F i g. b so modifiziert werden, daß Elektroden an den Scitenkantcn der Stäbe an Stelle an den Hauptflächen angebracht sind, unbeachtet des Umstandes, ob die Stäbe aus einem piezoelektrischen Maicrial piezokeramischcr Natur oder aus einem Einkristall hergestellt sind. In diesem Falle sind die Zcntralgebieiedcr Stäbe nicht nut Elektroden versehen, um das Kurzschließen des Elektrodenpaares auf einem Stab durch den anderen Stab zu vermeiden. Wird cm piczokeramisches F.lemeni verwendet, dann ist die Richtung der Polarisierung kantengleich, das heißt sie verläuft rechtwinklig zu den Pfeilen 41 in F i g. 2 und in der gleichen Ebene. Die Polarisierung kann über den Slab gleichförmig verlaufen, oder sie kann auf jeder Seite des nicht mn Elektroden versehenen Zcnlralgebietcs entgegengesetzte Richtungen haben. Die sich daraus ergebenden vier Paare von Elektroden können sämtlich in Reihe oder sämtlich parallel oder in irgendeiner gewünschten Reihen-I'Tallclkombinalion geschaltet werden, wenn gewünscht. Selbstverständlich sind ähnliche Variationen auf das Ausfühmngsbcispicl der f 1 g. h anwendbar, wobei Elektroden auf den llaiipiflächcn der Stäbe angebraehl sind, wenn mindestens /wci flckirodenpaare an jedem Stab verwendet werden

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (23)

1. Patentansprüche:

   J. Auf eine Flächenscherwirkung ansprechender Wandler, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein aus piezoelektrischem Material bestehender Stao (24,26) und elastische Anordnungen in Form eines vierseitigen, peripheren Rahmens (14) vorgesehen sind, der im wesentlichen über eine Diagonale den Stab (24, 26) trägt, wobei die elastischen Anordnungen (14) so ausgebildet sind, daß sie bilateral zwischen auf den Rahmen (14) wirkenden Flächenscherkräften und Längsspannungen in dem Stab (24,26) übertragen.
2. 2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (24,26) aus piezokeramischen Material gebildet ist.
3. 3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab zwischen einem mittleren Gebiet und dem einen Ende in einer Richtung entlang seiner Längsachse und zwischen dem mittleren. Gebiet und dem anderen Ende entlang der Längsachse in einer anderen Richtung gepolt ist.
4. 4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (14) elektrisch leitend ist und die Enden der Stäbe (24,26) mit dem Rahmen ebenfalls elektrisch leitend verbunden sind.
5. 5. Wandler nach einem oder mehreren Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Stab (24, 26) paarweise Elektroden im Abstand und quer zur Längsachse angebracht sind.
6. 6. Wandler nach eine-n der \nsprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein /weiter Stab (26) im wesentlichen in Richtung der s "deren Diagonale des Rahmens (14) gelagert ist.
7. 7. Wandler nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelteile der Stäbe (26,24) miteinander verbunden sind.
8. 8. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 7, wobei eine Wandlung zwischen einem äußeren mechanischen Spannungssystem und elektrischen Anschlüssen erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß Anordnungen vorgesehen sind, die erste elastische Mittel (Rahmen 14) zur bilateralen Transformierung zwischen Flächenscherspannungen. die in einer im wesenilichen parallel zu den beiden Stabachsen angeordneten Ebene verlaufen, und einem mechanischen Spannungssystem umfaslen. das Längsspannungen entgegengesetzter Richtung in den jeweiligen mit Elektroden versehene piezoelektrischen und nicht in paralleler Ausrichtung angeordneten Stäben (24, 26) aufweist, und die weiterhin zweite elastische Mittel (doppelbogenförmige Flächen 16, 18) umfassen zur bilateralen Transformation zwischen dem auf sie einwirkenden externen mechanischen Spannungssystem und den Flächenscherspannungen, die auf die ersten elastischen Mittel (Rahmen 14) einwirken.
9. 9. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten elastischen Mittel aus einem über den Umfang laufenden Rahmen (14) mit vier Seiten bestehen, wobei die Stäbe (24, 26) über die Diagonalen laufend in dem Rahmen gelagert sind,
10. 10. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten elastischen Mittel aus doppelbogenförmigen Flächen (16, 18) bestehen, die eine im wesentlichen geschlossene Peripherie aufweisen und mit dem Rahmen (14) über ihre Peripherie verbunden sind, wobei die Stäbe (24, 26) an ihren

    Endteilen im Rahmen gelagert sind und das gesamte System als elastische Anordnung bilateral zwischen Flächenscherspannungen in der doppelbogenförmigen Fläche (16, 18) und Längsspannungen in dem Stab transformiert.

    Ό
11. 11. Wandler nach' einem oder mehreren der

    Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (24, 26) in ihrem mittleren Teil elektrisch miteinander verbunden sind.
12. 12. Wandler nach einem oder mehreren der

    is Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zu beiden Seiten des Rahmens (14) jeweils eine doppelbogenförmige Fläche (14,16) mit geschlossener Peripherie vorgesehen und über ihren Umfang mit dem Rahmen verbunden ist.
13. 13. Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfang jeder doppelbogenförmigen Fläche (Ib, 18) im wesentlichen rechteckförmig verläuft.
14. 14. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß jede doppelbogenförmige Fläche (16, 18) elektrisch leitend ist und elektrisch leitend mit dem Rahmen (14) verbunden ist.
15. 15. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Elektroden (106, 104, 108, 110) in Längsrichtung der Stäbe (24, 26) ohne elektrische Berührung des Rahmens (14) erstrecken.
16. 16. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Stäben (24, 26) eine Vielzahl von paarweisen Elektroden (36, 34,28) vorgesehen sind.
17. 17. Wandler, insbesondere elektroakustischer Wandler, nach einem oder mehreren der Ansprü-

    ■Ό ehe 1 bis 16. dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehäuse (64) mit einer akustischen Verbindung durch eine Wand und Träger (66) zur nachgiebigen Lagerung des Rahmens (14) in dem Gehäuse (64) vorgesehen sind.
18. 18. Wandler nach Anspruch 17. dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (66) eine Vibration des Rahmens (14) als Folge der Einwirkung elektroakustischer Signale erlauben.
19. 19. Wandler n.",ch einem oder mehreren der Ansprüche I bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auslöschung einer Beschleunigungsempfindlichkeit die doppelbogenförmigen Flächen (16, 18) im wesentlichen spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sind.
20. 20. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 19. dadurch gekennzeichnet, daß der vier Seiten aufweisende Rahmen (14) in dem Gehäuse (64) im wesentlichen in der Mitte seiner Seiten gelagert ist.
21. 21. Wandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe des mittleren Bereiches der Stäbe (24, 26) im Inneren des Rahmens (14) ein elektronischer Verstärker angeordnet ist.
22. 22. Wandler nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (54) auf den Stäben (24, 26) gelagert ist.
    
23. 23. Wandler nach einem oder mehreren der

    Ansprüche 8 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelbogenförmigen Flächen (16, t8) und der Rahmen (14) die Stäbe (24, 26} im wesentlichen einschließen.

    Die Erfindung betrifft einen auf eine Flächenscherschwingung ansprechenden Wandler. Allgemein bezieht sich die Erfindung auf Wandler zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie bzw. mechanische Energie in elektrische Energie oder auf Wandler, die beide Transformationen durchführen können, wobei insbesondere Anordnungen vorgesehen sind, die die piezoelektrischen Eigenschaften bestimmter bekannter Substanzen wirkungsvoll ausnutzen.

    Die piezoelektrischen Eigenschaften von Einkristallen, beispielsweise von Rochelle-Salzkristallen sind seit langem bekannt und zur Verwendung bei elektromechanischen und elektroakustischen Wandlern weit verbreitet Ein Ausführungsbeispiel solcher Wandler unter Verwendung piezoelektrischer Kristalle ist in dem US-Patent 24 03 692 beschrieben. Dabei können verschiedene, entweder natürliche oder im wesentlichen statische Schwingungstypen verwendet werden. Jeder statische Schwingungstyp weist einen entsprechenden piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten »k« auf, der sich auf die Art bezieht, in welcher die Energie in dem piezoelektrischen Körper gespeichert wird.

    Vergleichbare Eigenschaften gibt es auch für piezokeramische Anordnungen, die polykristalline Aggregate aus ferroelektrischen Materialien sind. Eine solche keramische Anordnung besteht beispielsweise aus Bariumtitanat, das bis zur Verglasung erhitzt ist und in dem US-Patent 25 40 412 beschrieben ist. Zeitgemäße piezokeramische Anordnungen basieren allgemein auf einer festen Lösung von Bleizirkonat und Bleititanat. Dabei ist piezokeramisches Material gepolt, d. h. daß dem Material eine remanente Polarisierung mitgeteilt ist, dadurch, dab man es bei Raum- oder bei erhöhten Temperaturen einem hohem elektrischen Feld unterworfen hat. Tatsächlich werden piezokerdmische Materialien gegenüber Einkristallelementen in vielen Anwendungsfällen, beispielsweise bei Wandler für Hörgeräte, Aufnahmeanordnungen (pic^ up) bei Phonographen, bei Unterwasserschallübertragern und dgl. bevorzugt. Die Gründe für diese Bevorzugung sind in der größeren Festigkeit gegenüber mechanischer Schockeinwirkung zu sehen, sowie in thermischer und umgebungsmäßiger Stabilität, in einem hohen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten. in der F.infachheit der Herstellung, in der allgemeinen Anwendbarkeit der Polarisierungstechniken und in geringen Herstellungskosten.

    In den folgenden Ausführungen trifft der Begriff »piezoelektrischer Längskopplungskoeffizient« auf Dirr.ensionsänderungen in der Poiungsrichtung bzw. in der Richtung des Umpolens zu, wenn andere Dimensionsänderungen frei sind. Der »piezoelektrische Querkopplungskoeffizient« trifft auf Dimensionsänderungen senkrecht zur Richtung der Polung zu und beträgt etwa die Hälfte des Längskopplungskoeffizienten für ein typisches piezokeramisches Material. In jedem dieser besonderen Fälle verläuft das elektrische Signalfeld parallel zu der Polungsrichtung.

    Bei dem Entwurf bzw. bei der Herstellung praktisch verwendbarer elektromecltenischer bzw. elektroakustischer Wandler unter Verwendung eines piezoelektrischen Körpers ist es notwendig, mechanisch schwingungsfähige Mittel und elektrische Schaliungsanordnungen zur Ankopplung an den Körper vorzusehen. Beides beinhaltet praktische Probleme. Der elektrische Schaltkreis muß eine Impedanz aufweisen, die der des piezoelektrischen Körpers angepaßt ist. Zusätzlich zu seinen Funktionen bei der Wandlung bzw. Übertragung von Energie sollte idealerweise das mechanisch schwingungsfähige Gebilde bzw. eine solche Anordnung auch noch einen mechanischen, umgebungsmäßigen Schutz für den piezoelektrischen Körper bieten.

    Zwar sind im Hinblick auf die weiter vorn erwähnten Erfordernisse schon beträchtliche Fortschritte erzielt worden, doch stellen sowohl die zur Zeit erhältlichen und entwickelten Anordnungen beträchtliche Kompromisse zwischen den verschiedenen, sehr erwünschten Eigenschaften dar. So haben elekiromechanische Wandler, die piezokeramische Anordnungen für Anwendungsfälle auf dem Gebiet der Hoch- bzw. Niederfrequenz verwendeten, nahezu .ets Biegungsbzw. Torsionseffekte ausgenutzt, die eiuw'der mitiels laminierter Platten oder Röhren aus einem Stück erhalten wurden, Beispiele in dieser Richtung können dem US-Patent 32 19 850 entnommen werden. Daoei sind biegii.igsmäßig beanspruchte Anordnungen am häufigsten, wobei für diesen Typ der elektromechanische Querkopplungskoeffizient am häufigsten verwendet wird. Einer der Probleme in Verbindung mit auf Biegung beanspruchten piezoelektrische.! Anordnungen ist ihre Zerbrechlichkeit, die selbst dann noch vorliegt, wenn anstelle von Einkristallmaterial die relativ stärkeren piezokeramischen Materialien verwendet werden. Um diese Zerbrechlichkeit zu überwinden, ist vorgeschlagen worden, sogenannte Dreierlaminate mit Metallsubstraten zu verwenden, wobei man die Festigkeitseigenschaften der keramischen Anordnungen bei Druckeinwirkung verwendet. Aber auch bei diesen Verfahren treten wieder Beschränkungen auf, beispielsweise die erlaubten Poiungsrichtungen, die verwendbaren Kopplungskoeffizienten und die elektrischen Eigenschaften.

    Weitere, den bekannten Anordnungen innewohnende Probleme sind auf die übermäßige Speicherung elastischer Energie in den mechanisch schwingungsfähigen Anordnungen zurückzuführen, die mit den piezoelektrischen Elementen in Wirkverbindung stehen. Die Folge davon ist eine beträchtliche Reduzierung des gesamten elektromechanischen Kupplungskoeffizienten bei diesen Anordnungen Solche bekannten Anordnungen sind entnehmbar dem US-Patent 24 87 962.

    Aber auch andere Probleme treten bei den bekannten Anordn-'/ijL'en auf, und zwar Beschränkungen hinsichtlich der praktisch verwendbaren Materialien für die mechanisch schwingt.ngsfähigen Gebilde oder Anordnungen, die aus ihren elektrischen Leitungseigenschaften resultieren und die entsprechend nachfolgende Beschränkungen hinsichtlich der erlaubten Orte für die Signalelektroden nach sich ziehen. Darüber hinaus entstehen aber auch Einschränkungen und Nachteile bei der Art der Herstellung, insbesondere hinsichtlich der überhaupt möglichen Anordnungen bei der i'olung der piezokeramischen Elemente.

    Viele der bekannten Wandleranordnungen weisen auch unerwünschte Eigenschaften hinsichtlich einer Beschleunigungsempfindlichkeit auf, die die Hauptquelle unerwünschter Rückkopplungswirkung bei bestimm-