DE2162987A1

DE2162987A1 - Piezoelektrisches Element, Verfahren zu seiner Fertigung und unter Verwendung dieses Elementes herzustellende Erzeugnisse

Info

Publication number: DE2162987A1
Application number: DE19712162987
Authority: DE
Inventors: Wjatscheslaw Wasilewitsch; Miroschnitschenko Anatolij Petrowitsch; Charaschtschewskij Witalij Alexeewitsch; Kiew Lawrinenko (Sowjetunion). M H03c 1-58
Original assignee: Kievsky Politekhnichesky Institut Imeni
Current assignee: Kievsky Politekhnichesky Institut Imeni
Priority date: 1970-12-21
Filing date: 1971-12-18
Publication date: 1972-07-20
Also published as: US3781955A; GB1370674A; FR2119482A5

Description

PIEZOELEKTRISCHES EEBBaEKTiD₁ VERi¹AHIiBN ZU SEIMEH FERTIGIMG UIiD UHTlR VEHa¹ELiDUNG DIEUIiS ELEMENTES HERZUSTELLENDE!

ERZEUGNISSE

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet des Gerätebaus und noch genauer auf piezoelektrische Elemente, auf ein Verfahren zu ihrer Fertigung sowie auf die unter Verwendung dieser Elemente herzustellenden Erzeugnisse.

Das'Piezoelement stellt einen festen Körper mit vorgegebener geometrischer Form dar, der aus piezoelektrischem Material mit den an den Kontaktflächen angebrachten Elektroden ausgeführt ist. Das Piezoelement ist ein mechanisches Schwingsystem mit verteilten Parametern und ist für die Umwandlung elek-

trischer Energie in mechanische, mechanischer Energie in elek-

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' trische beziehungsweise für die gleichzeitige Doppelumwandlung der elektrischen und mechanischen Energie gedacht.

Bekannt sind elektrische Energie in mechanische elastische Schwingungen umwandlelnde Piezo elemente, bei denen die Verschiebungsrichtung ner. Schwingungsteilchen mit der Richtung der Ausbreitung der mechanischen /felle übereinstimmt.

Solche Elemente werden als Piezoelemente mit Erregung von Longitudinalschwingungen bezeichnet, sie weiden in Form von Dünnscheiben beziehungsweise Latten aus piezokeramischem Material mit Elektroden an den Oberflächen oder Stirnflächen ausgeführt.

Die Längsverformung bei Piezoelementen mit LangenverSchiebung belauft sich sogar bei Anlegung von in die :iahe des ("bereinige zehn, einige schlagsfeldes· kommenden elektrischen .Feldern auf ν maximal auf

Hundert Mikrometer , was ihre Einsat zmöglichke it en als Anordnungen zur Umwandlung des jeweiligen elektrischen Signals in mechanische Verschiebungen einschränkt.

Die Anzahl dieser Verschiebungen kann lediglich durch proportionale Vergrößerung der Lange des jeweiligen Piezoele— mentes gesteigert werden. In diesem Fall aber wird für die Herbeiführung einer Längenverschiebung von 1 mm ein Piezoelement erforderlich sein, dessen Lange mindestens 1 m betragen wird. Selbstverständlich lohnt es sich nicht, von den praktischen Eineatzmöglichkeiten solcher Elemente zu sprechen, !Eines der

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OBlGtNAt

kennzeichnenden Lerkmale solcher Piezoeleiaente ait Längenver-Schiebungen ist die Tatsache, daß die eigene Resonanzfrequenz tür sie umgekehrt proportional der Länge ist. Die Frequenz der ersten mechanischen Schwingungszahl einer piezokeramischen 100 mn- langen Scheibe, gefertigt aus Piezokeramik (Barium— metatitanat), Deträgt zum Beispiel etwa JO kHz. Desiialb, wenn man die Schv/ingungsfrequenz von J50 Hz braucht, wird das die Vergrößerung der länge eines solchen Piezoeiementes bis 100 m erforderlich machen. Demzufolge ist der l'requenzeinsatzbereich von Piezoelementen rait Erregung von Longitudinalscnwingungen von unten praktisch rait einer Größe von 10 + 15 kHz Degrenzt« Bekannt sind auch piezoelektrische Elemente mit Erregung vwii. xransversalschwingungen, das heißt - solche Elemente, in aenen die Teilchen in der der Ausbreitung der jeweiligen akustischen 7/elle perpendikularen Richtung schwingen· Als Beispiel fir

·- Ln/
solche Elemente kann dimorphes Piezoelernentgenannt werden,-i.h.

ein element, das aus zwei derartig polarisierten Schichten hergestellt ist, daß bei der Erregung des Piezoeiementes jede der Schichten eine Verformung mit entgegengesetztem Zeichen aufweist, das heißt, v;erm. eine Schicht kontrahiert ,die andere Schicht vdehnt ^sich> ( "Magnetische und dielektrische Elernonte" unter Redaktion von G.W. Eutz, Teil 1, S. 232, Verlag "Energie", 1964).

Bimorphe (oaer Verbiegungs-) Piesoelemente ermöglichen es, wesentliche Verschiebungen herbeizuführen, die eine Größe bis

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zu einem Millimeter erreichen können. Es erweist sich aber, daß es aucfci für bimorphe Piezoelemente eine bestimmte Grenze besteht. Wie bekannt, ist die Größe der Verbiegungsdeformation dem Längequadrat des jeweiligen Piezoelementes proportional, und diese Länge wird für viele Anordnungen durch eine Größe im Bereich von 20 bis 50 mm begrenzt.

Die Vergrößerung dor Verformung durch die Dickenvorringerung des bimorphen Piezoelementes ist ja auch begrenzt. Erstens

■ ist es aus technologischen Erwägungen nicht vorteilhaft, Elemente mit einer Dicke unter 0,1 mm (wegen der zu hohen Ausschuß— rate) zu fertigen und zweitens^ je kleiner die Dicke des jeweiligen Elementes ist, desto geringer " seine . auslösende Kraft» . was durchaus nicht wünschenswert ist. In Bezug auf Resonanzfrequenzen von Verbiegungselementen aber ist die Lage so, daß obwohl es durch diese Elemente gelungen ist, die Grenze der Resonanzfrequenz bis auf 50 Hz herabzusetzen, es nicht möglicti;~auf ihrer Grundlage kompakte Einrichtungen für Frequenzen

h unter 30 Hz zu erhalten, da die Länge bimorpher Piezoelenente dabei unzulässig groß wird.

Dadurch sind die bekannten Piezoelemente sowohl mit Longitudinal- als auch mit Transversalschwingungen einer Reihe von Anforderungen nicht gerecht, die an sie bei ihrem praktischen Einsatz gestellt werden und zwar in solchen Fallen, wenn wesentliche Verschiebungen mit genügend großer Kraftwirkung . be~

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ziehungsweise wenn eine niedrige Resonanzfrequenz erforderlich sind, wobei in allen diesen Fallen die Einrichtung kleine Abmessungen haben soll. Gerade' solche Anforderungen werden bei der Entwicklung von piezoelektrischen Kleinstrelais, bei der Entwicklung von Filtern im Kleinformat für den Frequenzbereich 1 + 100 Hz sowie bei der Entwicklung einer Heihe anderer Geräte gestellt.

Die Lösung des Problems der Vergrößerung von Piezoelement-Verschiebungen mit der gleichzeitigen Reduzierung ihrer Resonanzfrequenzen ist umso wichtiger, weil Piezoelemente eine Reihe unumstrittener Vorteile gegenüber elektro-magnetischen Elementen haben, die in unterschiedlichen Geräten zur Anwendung kommen»

Der wichtigste dieser Vorteile besteht darin, daß beim Gleichstrom und bei den Niederfrequenzen die Piezoelemente einen riesigen Eingangswiderstand aufweisen, wodurch sie eine winzig kleine Leistung aurnehmen (unter 100 Mikrowatt),

Die Erfindung bezweckt,. eine solche Konstruktion des Piezoelementes zu entwickeln, die bei geringen Abmessungen relativ große Verschiebungen und . Kräfte . - λ sichert sowie eine wesentliche Verringerung der Eigenfrequenz mechanischer Schwingungen des jeweiligen Piezoelenentes ermöglicht*

Die gestellte Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß das Piezoelement in Form einer ein- und zweilagigen flachen mit Elektroden überzogenen Bandspirale gefertigt« wird· Wenn das -" "1 _ ,_; . -.. .._■■■-_;'·

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2ΪΒ2ΒΒ7

Piezoelement in Form einer ein- oder zweilagigen mit Elektroden

ist, vird überzogenen .Bandspirale aus geführt jeder kleinste Abschnitt

auf Grund· des reziproken piezoelektrischen Effekts sich zu biegen versuchen und gleichzeitig sich zu dehnen oder zu kontrahieren· In diesem i?"all wird die Längsverformung an bestimmten Abschnitten des Piezoelementes entgegengesetzte zeichen haben, wodurch die Langenverschiebung des üpiralendes nahe |, WuIl . -■" sein wird. Was jedoch die Vorbiegun^sdeformationen betrifft, aie gleiches Zeichen aufweisen werden, so wird aufgrund dessen, daß jeder bpiralabschnitt gebogen ist, seine 7er-

„ -tupf '".ihren,

Schiebungen praktisch längs der iipiralwindunaen · das heißt in derselben Richtung, in welcher die Ausbreitung der mechaniscuön Welle erfolgt.

Also wird beim spiralartigen Piezoelement der Effekt der vorwiegenden Umwandlung von Verbiegungsdeformation in Langsverformung zu beobachten sein, wodurch dieses Piezoelement zu Piezoelementen mit Längenverschiebungen gerechnet werden kann.

Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Fertigung eines piezoelektrischen Elementes in Form einer Spirale zu entwickeln Und Erzeugnisse herzustellen» die unter Verwendung dieses Elementes ausgeführt werden.

das *

Das wird dadurch erreicht, daß piezoelektrische Element in Form einer Spirale ausgeführt wird«

Man kann die Spirale in Form abgeschlossene** Wicklung und aas piezoiaJSM^/ischem Material ausfahren·

ίÖf 130/HtI BADORlGiNAL

jJie Spirale ist in Bandform und mindestens aus einer'Schicht auszuführen·

Ls ist wünschenswert, daß jede der zylindrischen oder Ironischen Oberflächen jeder der Schichten der Spirale mit Leiterfolie überzogen wird»

Llan kann eine der zylindrischen oder konischen Spiral — oberflächen jeder der ,Schichten mit Leiterfolie überziehen und die andere. mindestens aus zwei elektrisch voneinander isolierten Leiterfolien ausführen.

IiS ist erforderlich, daß wenigstens eine Schicht dor-Spirale in Dickenrichtung polarisiert wird.

Zweckmäßigerweise ist ein Verfahren zur Fertigung eines einlagigen piezoelektrischen Elementes anzuwenden, welches darin

·· l·?-!"· I f-1¹ "t

besteht, cb.."> man ungeroctetes xjiezokeramisches Band'""" ' " 'das

. . einen otofi" auf der Grundlage -^Tor.

bei einer !Temperatur von 900 bis 1J00 ° aggloBieriorenden Oryden, zum !Beispiel BaO und TiOp sowie einen organischen Stoff,, sun Beispiel Kautschuk enthält, und daß man zusätzlich ungeröstetes Band" " ' "'"w-slches in seiner Zusammensetzung einen ^wff auf der Grundlage τοπ bei einer Temperatur Über 135*0 bis 1400° agglomerierenden Oxyden, zum Beispiel AIpO^ enthält, beide Bänder aufeinander leg*» zu einer Spirale wickelt, bis zu einer Temperatur von 900 bis 1300° röstet und nach Abkühlung ^l?^ ^aUS ^^{em Zw}i^scnenv/in<i^unS^sr^^umen ^^ΘΓ Spirale entfernt»

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Es ist auch zweckmäßig, ein verfahren zur Fertigung einlagiger piezoelektrischer Elemente anzuwenden, das darin besteht,

die
daß man nach den obenerwähnten Verfahren gewonnene Sjjirale in

flüssige Paste taucht, die Salze und Metalloxyde enthält, sie aus der Flüssigkeit heraus nimmt, trocknet und bei der Temperatur der Desoxydation der Letallnalze . oder Metalloxyde röstet, wonach die Spirale vom überschüssigen Metallüberzug be- h freit wird.

Zweckmäßig ist auch ein Verrahren zur Fertigung eines einlagigen piezoelektrischen Elementes · bestehend aarin, daß man ungeröstetes piezokeramisch.es Band herstellt, welches ' · einen Stoff auf der

Grundlage der voneiner Temperatur von 9OO bis 13ΟΟ⁰ agglomerierenden uxyden, zum Beispiel BaO und TiO₂ sowie einen organischen Stoff, zum Beispiel Kautschuk enthält, die Bandoberflächen auf den erforderlichen Abschnitten mit einer Folie aus Salz- oder Metalloxydpaste zum Beispiel Platin überzogen werden und daß man zusätzlich ungeröstetes Bandherstelltwelches - '

einen Stoff auf dar Grundlage von bei^einer Temperatur über 1350 bis 1400° agglomerierenden Oxyden, zum Beispiel Al₂O, enthält, beide Bänder aufeinander legt, zu einer Spirale wickelt, bis zu einer Temperatur von 900 bis 1^00° röstet,

d as/ den - wobei nach Abkühlung <A1₂O, aus Zwischenwindungsräumen

der ·' _ Spirale entfernt wird.

Es ist auch zweckmäßig, ein Verfahren zur Fertigung eines

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zweilagigen piezoelektrischen Elementes anzuwenden, bestehend darin, daß man zwei ungeröstete piezokeramisehe Hauptbänder herstellt, die ' " ' · .·■ . - einen Stoff auf der Grundlage von bei einer Temperatur von 900 bis 1300° agglomerierenden Oxyden, zum Beispiel BaO und TiOp sowie einen organischen Stoff, zum Beispiel Kautschuk enthalten, die dann mit einer Folie aus Salz- oder Metalloxydpaste überzogen werden, und daß man ein zusätzliches Bandherstel^tweiches ■ einen

Stoff auf der Grundlage von· bei einer Temperatur über 1350 bis 1400° agglomerierenden Oxyden, zum Beispiel Al₂Ox enthalt, beide Hauptfolien · aufeinander legt und leicht zusammen^ preßt _s zum Beispiel in Walzen, wonach auf sie das zusätzliche Band gelegt wird und sie alle zusammen zur Spirale gewickelt und bis zu einer Temperatur von 900 bis 1300° geröstet werden und nach.

das

der Abkühlung^ Al₂O, aus den Zwischenwindungsräumen der Spirale entfernt wird.

Zweckmäßigv kann z.B. ~ ein elektrisches Relais auf der

werden. Basis eines spiralförmigen piezoelektrischen Elementes gebaut -.

ein
Es ist auch zweckmäßig^ elektrisches Relais auf der Basis

mindestens zweier spiralförmiger piezoelektrischen Elemente zu montieren, die ineinander eingelegt werden. Zv/eckmäßigerweise wird auch eine elektrische Uhr mit einem Umwandler der elektrischen Energie in mechanische Schwingungen des Unruhrades auf der Basis eines spiralförmigen piezoelektrischen Elementes aus-

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- ίο -

iiS ist ebenfalls zweckmäßig, ein elektrisches Ließgerät herzustellen, welches auf der Basis eines spiralförmigen piezoelektrischen Elementes montiert ist·

z>weckmäßigerweise wird ein elektriscnes i'ilter mit einem (Transformator in einer einheitlichen Anordnung (Transfilter) auf der Basis mindestens eines spiralförmigen piezoelektrischen Elementes montiert.

Es ist auch zweckmäßig, einen Schrittmotor mit elektrischem Antrieb auszuführen, der auf aas Zahnrad aux tier x.^oo.s eines spiralförmigen piezoelektrischen Elementes wirkt.

Es ist auch zweckmäßig, ein elektrisches Läutewerk auf der Basis eines spiralförmigen piezoelektrischen Elementes zu mon— tieren.

Zweckmäßigerweise wird ein Umwandler · elektrischer Energie in · Schallenergie_/ zum Beispiel ein dynamischer Lautsprecher, auf der Basis mindestens eines spiralförmigen piezoelektrischen Elementes ausgeführt. .

Die Erfindung wird aus der nachstehenden eingehenden Beschreibung weiter deutlich, . die mit Bezugnahme auf die beigefugten Zeichnungen gegeben wird, in der zwecks klarer Darlegung konkrete Fachausdrucke angewendet werden, die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf die angenommenen engen Begriffe, und dabei muß man noch berücksichtigen, daß jeder Terminus alle äquivalente Elemente umfaßt, die analoge Wirkungsweise haben und

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der
zur Lösung derselben Aufgaben, wie ⁱⁿ vorliegendemErfindung,

eingesetzt werden·

Es muß auch beachtet werden, daß andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung außer denen, die bereits vorher genannt sind, nachstehend bei der Auslegung der Beschreibung und Betrachtung der Zeichnungen aufgedeckt werden, auf denen es zeigt

Fig. 1 Konstruktion eines einlagigen spiralförmigen Piezoelementes mit LongitudinalverSchiebungen;

Fig, 2 Konstruktion eines zweilagigen (bimorphen) spiralförmigen Piezoelemente.s;

Fig· 3 Paket von Schlickerfolien;

Fig. 4 Paket von Schlickerfolien , gewickelt zu einer Spirale; Fig. 5 Piezorelais ohne oberen deckel (Draufsicht); Fig. 6 Piezorelais (Seitenansicht in Schnitt); Fig. 7 Piezorelais (Ansicht auf Kontaktsehaltung);

Fig. 8 Piezorelais mit zwei sjjiralförinigen Elementen (Drauf^.sicht);

Fig. 8a Piezorelais mit zwei spiralförmigen Elementen (Seitenansicht in Schnitt) ;

ij'ig. 9 Anschluß schaltung eines Piezorelais mit zwei spiralförmigen Elementen;

Fig· 10 kinematisches Schema des Piezorelais mit zwei spiralförmigen Elementen;

Fig. 11 piezoelektrische Anlaßeinrichtung (Draufsicht ohne Deckel);

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Fig. 11a piezoelektrische Alllaßeinrichtung (Seitenansicht, in Schnitt);

Fig. 12 Schaltschema einer piezoelektrischen .Anlaßeinrichtung;

Fig. 13 Spannungslinien der piezoelektrischen Anlaßeinrichtung;

Fig. 14· kinematisches Schema einer Uhr mit piezoelektrischem Antrieb.; Fig. 15 Schaltung eines Umwandlers für unrentriebwerk^;

Fig. 16 piezoelektrischen Schrittmotor (Draufaneifcht ohne Deckel);

Fig. 16a piezoelektrischen schrittmotor (Seitenansicht, in Schnitt);

Fig. 17 kinematisches Schema eines Meßgerätes mit spiralförmigem Piezoelement; Fig. 18 piezoelektrisches Transfilter (Draufansicht, ohne

Bauweise); Deckel) (Transfilter: Filter und Franπformator in einheitlicher

Fig. 18a piezoelektrisches Transfilter (Seitenansicht,, in Schnitt);

Fig. 19 Schaltschema eines einlagigen spiralförmigen Piezoelement-Transfilters;

Fig. 19b Schaltschema eines bimorphen spiralförmigen Piezoelement-Transfilters;

Figo 20 Piezotransfilter mit zwei spiralförmigen Piezoelementen;

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Fig, 21 Schaltungen der Elektroden a und b des Eingangsbzw· Ausgangselementes eines Piezotransfilters;

Fig. 22 kinematisches Schema eines piezoelektrischen Transfilters mit mechanischer und elektrischer Steuerung der Resonanzfrequenz ;

jrig. 2^a piezoelektrisches Läutwerk mit spiralförmigen Piezoelement (Drauf laicht ohne deckel)}

Fig· 23 piezoelektrisches Laufwerk (Seitenansicht, in Schnitt)?

Fig. 24· kinematisches Schema eines elektrodynamischen Lautsprechers mit zwei spiralförmigen Piezoelementen.

Das spiralförmige Piezoelement (Fig. 1) besteht aus piezokeramischem Material 1, Elektroden an der Außenoberfläche 2 und Innenoberfläche 3 der Spirale, Klemmen 4· und 5, .Befestigungssäule 6 des Piezoelementes, fester Grundplatte 7» einer Elektrode 8 (Fig. 2) zwischen beiden Schichten des Piezomaterials und einer Elektrode 9.

spiralförmige Piezoelemente werden aus Materialien mit hoher Piezoaktivltät, zum Beispiel aus Keramik des Blei-Zirkonat-Titanat-bystems (PZQ?) oder auf der Basis von Bariummetatitanat gefertigt. Kontaktflächen werden mittels Einbrennen von Silber-

oder Platinpaste metallisiert. Für bimorphe Spiralen (Fig. 2)

_ A

wird Elektrode 8 bei der Sintertemperatur der Keramik eingebrannt und deswegen kann sie lediglich aus Platin oder Palladium beziehungsweise aus Legierungen auf ihrer Grundlage bestehen.

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Die -Befestigung des Pie^oelementes erfolgt an einem der Spiralenden (üblicherweise am innenliegenden Ende). Zur Ausführung der Befestigung wird die Spirale an die säule angeklebt, die auf einer festen Grundplatte 7 befestigt ist. Diese ist gewöhnlich das Gehäuse des jeweiligen Piezoelementes Die Klemmen 4 und 3 werden an der Stelle des Minimums der Schwingungsgeschwindigkeiten, das heißt an der Säule 6 angelötet. Zum günstigeren Auflöten der .Klemme 3 geht die Elektrode 2 über die Stirnseite auf die Innenfläche der ersten Windung der Spirale

durch über und ist von der Elektrode 3 ein* schmalen nichtleitenden Streifen getrennt· In bimorphen spiralförmigen P&ezoelementen ist die Elektrode 2 durch die freie Stirnseite mit der Elektrode 5 gekoppelt, wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist. Die Elektrode geht auf die Außen- und Innenoberfläche der ersten Windung der Spirale durch den Oberzug 9 unci. ist icon den Elektroden 3 und 2

Λ "L-. ^A

^urc schmale Streifen getrennt. Das ermöglicht relativ leicht, die Klemme 5 von der Elektrode 8 herauszuführen.

Nach dem Einbrennen der Elektroden und Auflöten der Klemmen ist es erforderlich, die Materialpolarisation vorzunehmen, was durch Anlegung von Gleichspannung an die Elektroden 2 und 3 Q^~ reicht wird.

Dafür ist es notwendig, daß die Elektroden 2 und 3 des bimorphen spiralförmigen Piezoelementes an der Stirnseite nicht verbunden aind .- und daß diese erst. nach Polarisierung in chemischem Abseheidungsverfahren von Kupfer oder Nickel mitein—

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ander gekoppelt werden. Die Polarisierung erfolgt in der Regel bei einer Temperatur von 100 bis 160° je nach dem Material.

Beim Anschluß der Klemmen 4- und 5 an die Spannungsquelle bewegt sich das nicht befestigte Spiralende frei·

Die Richtung der Bewegung jedes Punktes auf der Spiraloberfläche trifft annähernd mit der durch diesen Punkt gezogenen Tangente zusammen. Die Verschiebungsgröße ist, wie. die Untersuchungen gezeigt haben, dem Längenquadrat der Abwicklung der Spirale proportional und dem Dickenquadrat der Spiraljwindungen umgekehrt proportionale Die gewonnenen Verschiebungen beliefen sich für eine Spirale aus mehreren Windungen bis auf 10 mm. Bei Bedarf . kann man auch wesentlich größere Verschiebungen erhalten*

Die Verschiebungsgröße für bimorphe spiralförmige Piezoelemente liegt etwa höher als bei einlagigen spiralförmigen Piezoelementen (bei gleichen Abmessungen und elektrischen Spannungen) ·

Das ist darauf zurückzuführen, daß die Verschiebungen bei einlagigen Spiralen lediglich durch den Biege_ effekt hervorgerufen sind, der vor kurzem von den . ■ ' Erfindern in dünnen keramischen Platten entdeckt wurde. In bimorphen Platten tritt neben diesem Effekt noch der übliche piezoelektrische Rückwirkungseffekt auf, der zur Dehnung einer und zur Kontraktion der anderen Schicht des spiralförmigen Piezoelementes führt.

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Eine einlagige Spirale (Fig. 1) kann jedoch, immer zweifach so

ΙΘΧΠ.Θ

dünn wie >bimorphe Spirale (Fig. 2) hergestellt werden, folglich ist ihre absolute Verschiebung großer als die der bimorphen Spirale und die Resonanzfrequenz, niedriger. Sie macht außerdem keinen Einsatz von kostspieligem Platinuberzug erforderlich und ist wesentlich einfacher in Fertigung« Trotzdem, wenn man eine sehr hohe Empfindlichkeit braucht (mechanische Verschiebung pro

ein Einheit der angelegten Spannung), ist es erforderlich, bimorphes

spiralförmiges Piezoelement einzusetzen«

Ein spiralförmiges Piezoelement besitzt, wie es bereits vorher nachgewiesen wurde, eine Reihe positiver Eigenschaften', schwierig ist jedoch die Fertigung. ' . '

üblicherweise wird die Spirale im Aufwickel-

verfahren gefertigt. Keramik ist aber ein zu brüchiges Material^ , um eine keramische Platte zu einer Spirale wickeln zu

können. Von allen bekannten betriebstechnischen Verfahren zur Lösung der gestellten Aufgabe kann folgendes Verfahren angewendet

werden: auf dem mechanischen Wege, zum Beispiel mittels Ultraeiner

schallbearbeitung wird eine Spirale aus keramischen Platte geschnitten. Dieses Verfahren, außerdem das es kostspielig ist, weist noch eine Reihe von Nachteilen auf.

Erstens ist es auf mechanischem wege nicht möglich, dünnschichtige bimorphe Piezoelemente herzustellen, sondern es ist ^nur möglich, einlagige anzufertigen. Zweitens ist die Fertigung

von Spirgian mit einer Dicke von unter 0,3 mm mit Luft spalt en

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gleicher Große sogar beim Einsatz der modernsten Technik der Ultraschallbearbeitung ύοώ. keramischen Stoffen eine praktisch nicht lösbare Aufgabe, wenn man berücksichtigt, daß man eine Spirale mit vorgegebener Hohe fertigen soll. Bei der Ultraschallbearbeitung der Keramik nutzt man außerdem ein Schleifmittel, zum Beispiel Silizium-Karbidpulver, welches vielfach defekte an der Oberfläche in Form von Mikrorissen hervorruft.

Die Entwicklung dieser Mikrorisse führt bei Schwingungen der jeweiligen Spirale zu ihrer Zerstörung.

Bekannt ist auch ein Verfahren zur Gewinnung dünner Schlicker-Keramikfolien. Dieses Verfahren hat bei der Fertigung mehrlagiger keramischer Kondensatoren einen breiten Einsatz gefunden. Das Wesen dieses Verfahrens besteht in folgendem:

θ *

fmdisperses Pulver aus halbgeröstete mkeramischen Gemenge wird mit Kautschuklösung in Benzin vermischt, dabei erhält man eine Suspension, die als Schlickermasse bezeichnet wird. Diese Schlikkermasse wird mittels Spezialmaschinen auf Polyäthylenschichttrager vergossen. Die Verdampfung des Lösungsmittels führt zur .Bildung einer dünnen genügend elastischen Schlickerfolie, oestehend aus Feinstkörnern des keramischen Materials, die mit

Kautschuk gebunden sind· Diese Folie wird sehr leicht vom Schichtkann
trager abgelöst und dank ihrer Elastizität - *u einer Spirale gewickelt werden. Es gelingt jedoch nicht, auf diesem Wege ein spiralförmiges Piezoelement zu erhalten, weil keramische Folien bei der Sintarungstemperatur (9OO bis 1300⁰C) derart unelastisch

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den
werden, daß der Luftspalt zwischen. Windungen infolge der Biegung

(die
der Folie verschwindet, undiSpiralwindungen zusammensintern,

das heißt, daß es nicht möglich ist, das erforderliche Element zu erhaltene Das Ziel dieser Erfindung war dadurch die Entwicklung eines solchen Verfahrens zur Fertigung eines spiralförmigen Piezoelementes, welches es ermöglicht, spiralförmige Piezoelemente mit konstantem vorgegebenem Luftspalt zwischen den Spiralb windungen herzustellen»

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß " auf »ine keramische Schlickerfolie (Fig. 3) von einer Se it e~^rcfunne organische Folie, dann eine Schi ic kerf ο lie aus Aluminiumoxyd (oder ZirKoniumdioxyd) aufgelegt wird, deren Dic^ e durch den erforderlichen

den
Luftspalt zwischen· Windungen bestimmt wird, und danach wird

wiederum eine dünne organische Folie zwischengelegt.

Dann wird das ganze Paket zu einer Spirale so gewickelt, daß sich die piezokeramische Schlickerfolie an der Innenoberfläche der Spiralwindungen befindet.

Das Paket beinhaltet: Schlickerfolien 10 und 11 aus piezokeramischem Stoff (Fig. 3)» niit Platinpaste überzogene Folien 12, 13 und 14·; zwei organische Folien 15 und 16 und eine Schlickerfolie , die anorganisches, bei Rost temperatur der Keramik im Bereich von 900 bis 13ΟΟ⁰ nicht sinterndes, sondern bei Temperatur en mindestens über 1350°C sinterndes Material 17 enthält (zum Beispiel Aluminiumoxyd oder Zirkoniumdioxyd). Nach dem Wickeln zu einer Spirale (Fig, 4) wird das Paket mit Bandage 18 fixiert.

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Aufgrund des Obendargelegten erfolgt die Fertigung spiralförmiger Piezoelemente in folgender Eeihenfolge:

Zunächst werden Schia&erfolien 10, 11 und 17 (im üblichen Fertigungsverfahren von SGhlickerfolien) hergestellt*

Als Gemenge. zur Herstellung der Folien 10 und 11 kann Barxummetatitanat bzw. ein anderes piezoaktives Material mitolnem Bindemittelgehalt von 5 bis Λ5% der Gesamtmasse verwendet werden· Als Gemenge zur Herstellung der Folie 17 wird jegliches Material genommen, das bei der Rostungstemperatur der Keramik nicht sintert (zum Beispiel Aluminiumoxyd oder Zirkoniumdioxyd),

Die Folien 10 und 11 werden von einer Seite oder beider*- seitig mit Platinpaste überzogen und bei einer Temperatur von etwa 100⁰C angetrocknet. Dann werden sie so zusammengelegt, daß mindestens eine Schicht der Platinpaste innerhalb der beiden Schichten liegt. Danach werden beide Schichten zwischen zwei »Valzen zwecks Verbindung der Sollen miteinander sowie zur Kalibrierung ihrer Dicke gewalzt*

Aus allen Folien, darunter auch aus organischen Folien und 16 (als solche wird üblich dünnes Kondensatorpapier verwendet), werden Bohstücke mit gleicher Fläche geschnitten, deren Länge und Breite den .abmessunken der zu fertigenden Spirale entsprechen.

Dann erfolgt die Llontage des Pakets, wie es in Fig. 3 gezeigt wird, und letztlich wird das Paket zu einer Spirale gewiclrelt und mit einer Bandage fixiert, wie es in Fig. 4- gezeigt ist.

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Das Rohstück wird in eine Kapsel hineingelegt und mit Streupuder, zum Beispiel mit Aluminiumoxyd oder Zirkoniumdipxyd bestreut. Die Kapsel wird in einen Ofen geschoben und bis zur Sinterungstemperatiir der Keramik (900 bis 1300⁰C) geröstet. Dabei erfolgt das Ausbrennen aller organischen Stoffe, die Sinterung der piezokeramischen Körner und die Reduktion von Platin aus seinen Verbindungen·

^ Nach Abkühlung wird das Rohstück mit seiner Grundfläche an einen träger angeklebt und seiner Höhe nach in mehrere Einzel-Spiralen zersägt· Die Zersägung erfolgt mittels einer Diamantsäge mit Innenschneidkante. Dann werden mit einem Luftstrahl Körner aus nichtorganischem Material, die die Luftspalten zwischen den üpiralwindungen ausfüllen, entfernt. Es wird Auflöten von Klemmen und Polarisation des. Piezomateriaib unter Einwirkung eines elektrischen Feldes und ■' Temperatur vorgenommen.

Die Fertigung von Spiralen kann auch ohne organische. Zwischenfolien 15 und 16 erfolgen, in diesem Fall wird jedoch die Entfernung von Körnern aus nichtsinterndem anorganischem Material erschwert.

Bei der Herstellung einlagiger Spiralen wird die Schlickerfolie 10 zwecks Senkung der Kosten des jeweiligen Piezoelementes mit Platinpaete nicht überzogen. Die Metallisierung der Kontaktflächen erfolgt an der fertigen Spirale. Gewöhnlich wird dies im Tauchverfahren in eine genügend flüssige Silberpaste mit nachfolgender Antrocknung und Röstung der Silberpaste bei einer

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Temperatur von 500 bis 85O⁰C vorgenommen.

Bei der Herstellung spiralförmiger Piezoelemente nach dem . beschriebenen Verfahren .Ist. das mögliche Auftreten von Defekten (Mikrorissen) an der Oberfläche der jeweiligen Spirale ausgeschlossen. Die Dicke der Windungen kann dabei eine Größe bis 0,1 mm und sogar 0,05 mm erreichen.

Zur Fertigung spiralförmiger Piezoelemente sind keine spezielleixAusrüstungen erforderlich (mit Ausnahme vielleicht einiger einfacher Zubehörteile). Das alles, sowie die einfache Technologie sichern niedrige Kosten eines spiralförmigen Piezoelementes (diese Kosten werden hauptsächlich durch die Kosten für Ausgangsmaterialien bestimmt).

Die Schaffung eines Piezoelementes mit großen Verschiebungen in Form einer piezoelektrischen Spirale eröffnet breite Möglichkeiten für seinen Einsatz in solchen Kon takt einrichtungen wie elöktromechanische Relais. Moderne Anforderungen an die Größe von Relais, an ihr Gewicht und ihren Leistungsbedarf werden im Zusammenhang mit der allgemeinen Tendenz zur Mikrominiaturisierung elektronischer Apparaturen immer höher. In vielen Fällen entsprechen die elektromagnetischen Relais diesen Anforderungen nicht mehr, da die Prinzipien, auf denen ihre Wirkung beruht, mit der Reduzierung von Abmessungen und des Stromverbrauchs im Widerspruch stehen« Es ist eindeutig_f je geringer der Belastungsstrom ist, desto größer die An-

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zahl von Wicklungswindungen sein soll und desto größer der Wirkwiderstand und Erwärmungsverluste sind.

Die Verringerung der Abmessungen von Relais fuhrt auch zu keiner proportionalen Reduzierung des Leistungsbedarfs, des Arbeitsaufwandes bei der Fertigung, des Preises usw_e, da die Verringerung ier Abmessungen mit der Verkleinerung des Magnetleiters und demzufolge mit der Vergrößerung der Anzahl von W Windungen verbunden ist« Die zur Zeit bekannten Relais haben zum Beispiel bis I5OO Windungen aus feinstem Draht und werden weitaus nicht immer den Anforderungen an die Reduzierung der Abmessungen und des Leistungsbedarfs gerecht.

Dadurch kann die Lösung des Problems der Reduzierung von Abmessungen und des Leistungsbedarfs lediglich auf einer prinzipiell neuen Grundlage herbeigeführt werden, das heißt, daß Konstruktionen erforderlich sind, deren Kennlinien sich mit der Verringerung Tion Abmessungen verbessern oder mindestens k sich nicht verschlechtern·

Zu solchen Relaiskons tr uktionⁿgehör en piezoelektrische

Relais*

Gegenwärtig sind piezoelektrische Relais bekannt, die auf der Basis von freitragend befestigten bimorphen Piezoele— menten ausgeführt sind· Die Kontaktdrücke und Verschiebungen in solchen Relais erweisen sich jedoch als ungenügend groß, um sie weitgehend einsetzen zu können» In der Bestrebung zur Vergrößerung einer Verschiebung werden Piezoelemente

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in Form einer ganzen Reihe von akustisch verbundenen bimorphen Elementen gefertigt. (Urheberschein, UdSSR, Nr. 219699).

Solche Konstruktionen ermöglichen es, größere Verschiebungen bei einem genügend hohen Pegel des elektrischen Signals zu erreichen, ihre Fertigung ist jedoch mit großen *

Schwierigkeiten verbunden. Außerdem ist die Stabilität solcher Relais gegenüber mechanischen Beanspruchungen sehr niedrig. Es genügt die kleinste Außenbelastung, damit ein funktionsgestörtes Ansprechen des Heiais erfolgt.

Dadurch ist das Ziel der Entwicklung eines piezoelektrischen Relais auf der Basis eines spiralförmigen Piezoeleaentes nach den Daten dieser Erfindung eine Verminderung der Abmessungen des Relais, der Große der Ansprechspannungen, des Arbeitsaufwandes bei der Fertigung sowie die Reduzierung der Empfindlichkeit gegenüber den mechanischen Außenbeanspruchungen·

der

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eiektro-

mechanische Teil des jeweiligen Relais in Form eines spiralförmigen piezoelektrischen Elementes ausgeführt ist, das starr an einem Ende befestigt wird und mit dem anderen Ende an den Schwenkhebel mit neutralem Kontakt angeschlossen ist.

2as Relais beinhaltet ein einlagiges oder bimorphes spiralförmiges Piezoelement I9 (Fig. 5), dessen Außen- und Innenflächen metallisiert sind. An die Kontaktflächen sind Klemmen 2U und 21 angelötet. Die Spirale wird im unteren Teil des Gehäuses 22 untergebracht und starr gegenüber den Gehäusewandungen

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mitteis eines Zapfens 2.3 fixiert, dessen eines Ende steif am unteren Teil des Gehäuses befestigt ist» Das bewegliche Ende der spiralförmigen Piezoelementes ist mit einem Schwenkhebel 24· mitteis einer Feder 25 gekoppelt. Als Stützpunkt des Hebels dient eine metallische Achse 26, die in den Bohrungen 27 und 28 des Gehäuses gelagert ist· An den unteren Teil des Gehäuses 22 ist ein Deckel 29 befestigt, auf dem zwei Lamellen J50 und J51 angeordnet sind (Fig. 7)· An diese Lamellen werden unter zuhilfe-

die
nähme der Leiter 20 und 21 Kontaktflächen der Piezospirale 19 angeschlossen· Die Lamellen J52 und 33 (Pig. 7) sind die Kontakte des Relais, Der dritte üontakt ^4- ist an die Achse 26 angescnlossen und mit der Lamelle 35 mittels einer dünnen Drahtführung 36 gekoppelt (Fig. 7).

Im Moment des Anlegens der Spannung an die Lamellen 3ü und 31 (Fig. 7) erfolgt axe Aufwiujvu-ung bzw, die Abwicklung der Spirale in Abhängigkeit von der Spannungspolarität· Das Ende der Spirale, das dabei mit dem Schwenkhebel verbunden ist, bewegt sich translatorisch, versetzt die Achse 26 in den Bohrungen 27 und 28 in Drehung und überträgt die Bewegung "auf den Kontakt, Der Kontakt bewegt sich und schließt eich mit einem der Kontakte 32. oder 33 in Abhängigkeit von der Polarität der angelegten Spannung, Die Kontakte bleiben geschlossen solange, wie an den Spiralenbelagen eine Spannung vorhanden ist, die die Spannung des Ansprechens übersteigt. Bei einem solchen

Betrieb wirkt das Relais als Relais mit drei Stellungen,

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Es ist auch ein zweiter Betrieb des Relais möglich, bei dem der Kontakt 34- so angeordnet wird, daß er beim Fehlen der Spannung an den Kontakt 32 angedrückt wird. Bei der Zuführung einer Spannung, die die Polaritätsspannung des jeweiligen Piezoelementes übertrifft, erfolgt die Verschiebung des Spiralenendes. Dabeibleibt nach Weg nähme der Spannung im Piezoelement ' eine Deformation, die das Spiralenende in neuen Lage hält. Der Kontakt 34- bleibt mit dem Kontakt 33 geschlossen? Für die nächste Umschaltung des Relais ist es erforderlich, einen Umpolarisierungsimpuls zu geben. Die Besonderheit dieses Betriebes des Relais (mit zwei Stellungen) besteht darin, daß nach dem Ansprechen des Relais kein Stromverbrauch zu verzeichnen ist«

Mechanische Festigkeit des jev/eiligen Relais wird durch die Anbringung der Piezospirale 19 mit einem minimalen Luftspalt bezüglich des Gehäuses, das aus einem Kunststoff gefertigt wird, erreicht. Bei einem mechanischen Stoß legt sich die Außenwindung äank ihrer Elastizität an die Gehäusewandunyen und die Innenwindungen legen sich aufeinander, wodurch sie beträchtliehe mechanische überbeanapruchungen aushalten. Da die Windüngen eines spiralförmigen Piezoelementes konzentrisch gegen-

über seinen Befestigungspunktes angeordnet sind, ist die Empfindgegenüber lichkeit eines solchen Relais mechanischen Außenuberbeanspruchungen bedeutend niedriger als beim bereits bekannten Piezorelais, die in Form mehrerer bimorpher miteinander ver-

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bundener Elemente ausgeführt werden.

Letzlich ist hervorzuheben, daß der Leistungsbedarf eines Relais mit Piezoelement weniger als 100 Mikrowatt betragen kann, was fast lOOOmal weniger^ als der Leistungsbedarf elektromagnetiecher Relais ist, die die Industrie produziert. Der im Betriebszustand zu verbrauchende Strom kann unter 10 Ampere liegen, was eine Möglichkeit gibt, Heiais auf Piezoele-P ment-Basis in Verbindung mit unterschiedlichen hochohmigen Stromquellen erfolgreich einzusetzen·

Die erörterte Relais-Konstruktion mit spiralförmigem Piezoelement hat ausreichend gute Kenngrößen für ihren vielseitigen Einsatz.

In einigen Fällen erv/eist es sich jedoch, daß sich die

die Empfindlichkeit, das Schnellansprechen sowie ^die für Kontakte

zulässige Stromstärke bei solchen Relais als unzureichend zeigen.

Zwecks Verbesserung dieser Kenngrößen wird der elektro— mechanische !'eil des Relais in Form zweier piezoelektrischen ineinander gelegten Spiralen ausgeführt, an deren Enden Kontakte angeordnet sind, wobei einer der Kontakte in Form einer metallischen Halbwellenplatte hergestellt ist, auf dereine 'Irägheits-

masse angebracht wird, und der andere Kontakt in Form eines in ,einer „

♦metallischen Ampulle untergebrachten Quecksilbertropfchens ausgeführt ist.

Mesesjpiezoelektrische Relais enthäxt zwei spiralförmige Eiezoelemente 37 und J8 (Fig· 8), die ineinander geleyt und starr

mit einem ihrer Enden im Gehäuse 59 (Fig· 8a) befestigt sind.

d er
Die Seitenoberflachen spiralförmigen Piezoelemente sind auf

der Gesamtfläche mit Ausnahme eines engen Gürtels metallisiert (^d metallisierte Teil der Oberflächen ist auf Pig· 8vollschwarz).

Die oberen Stirnflächen der Spiralen sind ebenfalls metallisiert·

* der*

zwei metallisierte Seitenoberflächen spiralförmigen Piezo-

elemente sind parallel geschaltet und mittels eines Leiters

Die

mit einem Verbinaungsstift 40 verbunden, zwei übrigen metallisierten Seitenoberflächen sind durch Leiter mit Verbindungsstiften 41 und 42 verbunden.

Am freien Lnde eines der spiralförmigen Piezoelemente ist

eine metallische Platte 45 angebracht, die an den Stirnseitenstromleiter angeklebt wird. In der Mitte der Platte ist eine Masse 44 befestigt. Am freien Ende des anderen spiralförmigen Piezoelementes ist ein metallisches Röhrchen 45 befestigt, dossen eines Ende verlötet und das andere zusammengepreßt ist. Das Rohrchen ist mit Quecksilüer gefüllt, das seine Oberfläche benetzt,

ein Im Röhrchen gibt es einen Schlitz 46, durch den Quecksilber-

meniskus vorragt· Damit dieser Meniskus gewölbt ist, werden die Schlitzwandungen mit Lack überzogen. Das Röhrchen 45, genauso wie die Platte 45, ist ein Relaiskontakt· Elektrisch sind sie beide durch stirnseitige Stromleiter und Leiter an die Verbindungsstifte 47 und 48 (3?ig. 8) angeschlossen·

Ein Deckel 49 ist auf das Gehäuse 59 angeklebt und sichert damit die Hermctisierung des Relais.

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Beim Anschluß eines spiralförmigen Piezoelementes an eine Wechselspannungsquelle mittels eines kurzfristigen Drückens auf die Taste K* (Fig· 9) gerät das Ende der Spirale 37 in eine Bewegung, die dem Kontakt 43 (Fig· 10) übertragen wird·

Bei der Resonanzfrequenz der Schwingungen der Platte 4-3 (die durch die Masse 44 gewählt wird\ bereits bei Wechselspannung von 1 V (beträgt die Schwingungsamplitude der Platte M3) einige Millimeter·

Dabei genügt es, daß die Platte 43 den gewölbten Queck-Silbermeniskus berührt, damit die Oberflächenspannungskräfte sie ins Quocksilbertröpfchen hineinziehen· Die Schwingungen der Platte und des spiralförmigen Piezoelementes werden sofort unterbrochen, und die Oberflächenspannungskräfte halten sicher die Kontakte im geschlossenen Zustand auch nach dem Abschalten der Spannung· Dadurch verbraucht das Relais im geschalteten Zustand keine Energie, Zur Rückführung des Relais in die Ausgangsstellung reicht es, die Taste K₂ (Fig. 9) zu drücken, die die Gleichspannung an die beiden spiralförmigen Piezoelemente anschließt und dadurch Deformationen mit unterschiedlichen Zeichen in ihnen und zum Schluß Eontaktunterbrechung hervorruft.

Die Beweglichkeit bei zwei spiralförmigen Piezoelementen ist hoher als bei einem Piezoelement verdoppelter Länge, wodurch das Schnellansprechen fast auf das zweifache vergrößert wird»

Möglich ist es ebenfalls, das Abschalten eines Relais

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auch, bei der Spexsung von einer Wechselspannungsquelle jeglicher Frequenz vorzunehmen. Dafür wird die Taste K* (Figo 9) gedruckt , die an den Spannungsmultiplikator β ingang (Elemente C, D_x. und Dp» Fig. 9) ein »Vechselstromsignal gibt. Gleichgerichtetes Signal gelangt an die Spirale 37 und durch den Entkopplungswiderstand R (Fig. 1) an die Spirale 38.

Bei allen Betriebszuständen verbraucht das Relais Energie lediglich im Moment der Ein- oder Ausschaltung, Der Leistungsbedarf im Moment der Umschaltung übersteigt dabei keine 0,1 mW, während sich die Umschaltungsleistung durch den Einsatz von Quecksilberkontakten auf zehn Watt belaufen kann.

Es· wurde eine Kontaktanordnung beschrieben, die einen elektromechanischen Antrieb in Form eines spiralförmigen Piezoelementes mit an seinem freien Ende befestigten Kontakten beinhaltet»

Ein solches Relais kann als polarisiertes Relais arbeiten, das heißt, daß es unter Einwirkung verschiedenpoliger Spannungsimpulse umgeschaltet wird. In der Automatik und Telemechanik ist es jedoch oft notwendig, die Umschaltung mit Impulsen gleicher Polarität vorzunehmen. Zu diesem Zweck wird das Relais an einen Trigger angeschlossen, der einpolige Impulse in eine CiI β ichspann ung verschiedener Polarität umwandelt. Die notwendigkeit einer zusätzlichen Einrichtung - eine⁸ Triggers, um ein einpoliges Ansprechen des jeweiligen Relais zu erreichen, ist ein wesentlicher Nachteil. Dieser Nachteil wird beseitigt,

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wenn man Relais so ausführt, daß es von einer Quelle einpoliger Impulse anspricht.

Auf diese Weise besteht das Ziel der Erfindung in der Entwicklung eines Relais mit einpoliger Impulsauslösung, oder mit anderen V/orten das Ziel der Erfindung besteht in der Vereinfachung der Relaiskonstruktion mit einpoliger Impulsauslösung.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, · daß aim freie.n

_## Schiebe

Ende des jeweiligen spiralförmigen Piezoelementes zwei kontakte angeordnet sind, die aus einem leitfähigen magnetischen Material ausgeführt werden, deren einer mit der metallisierten Außen- und

^der
der andere mit Innenoberflache des spiralförmigen Piezoelementes

Jt 4*

verbunden und zwischen zwei Gegenkontakten montiert sind, die in Form von Magneten mit leitfähiger Oberfläche ausgeführt und

elektrisch gekoppelt werden, und der dritte Gegenkontakt zwischen der
zwei Schiebekontakten angeordnet wird.

An dem beweglichen Ende des spiralförmigen Piezoelementes 50 (Fig. 11), das mit seinem Innenende im Gehäuse 51 befestigt ist, sind Kontakte 52 und 53 angeordnet, deren einer . mit der

der „ metallisierten Außen- und der andere mit Trmenotoerflache des spiralförmigen Piezoelementes elektrisch verbunden sind· Die ßegenkontakte 54- sind Magnete. Bei der Verwendung von Materialien} die keine elektrischen Leiter sind (zum Beispiel Ferrite ), wird

ein
auf ihre Oberflache chemisch leitfahiger Jj'ilm zur Herbeiführung

eines elektrischen Kontaktes aufgetragen.

Die .kontakte 54· sind mit dem Verbindungsstift 55 mittels

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eines. Leiters verbunden und der Gegenkontakt 56 ist im Gehäuse befestigt und zwischen den. Schiebekontakten 52 und 53 angeordnet.

Zur Erhöhung der elektrischen und mechanischen Festigkeit des Relais ist seine Füllung ■- mit öl 57 zulässig, Der Deckel

M- >■ A

58 (Fig. 11a) wird an das Gehäuse 51 angeklebt und sichert bei Notwendigkeit die Ilermetieierung der Anlage.

In der Ausgangsstellung sind die Kontakte 53 und 54 S^e~

schlossen, die Kontakte 52 und 56 sind auch geschlossen· Die

zu Zufuhrung eines Gleichspannungsimpulses den Kontakten 54 und

zu
56 und durch diese den Elektroden des 1 spiralförmigen

Piezoelementes ruit Verbiegungsdex ormat ionen im letzteren her-

das
vor, die spiralförmige Piezoelement abzuwickeln und sein bewegliches Ende zu verschieben versuchen. Das Vorhandensein einer magnetischen Anziehung zwischen den Kontakten 53 und 54 verhindert jedoch die Verschiebung des beweglichen Endes des spiralförmigen Piezoelementes. Bei Gleichheit mechanischer und magnetischer Kräfte löst sich die Anordnung aus, das bewegliche Ende des spiralförmigen Piezoelementes verschiebt sich und verursacht die Unterbrechung der Kontaktpaare. 53t 54 und 52, 56

zwischen
und den Schluß Kontakten 52 und 54 sowie 53 und 56.

In diesem Zustand kann sich das Relais so lange, wie es notwendig ist, befinden} es wird durch Magnetkräfte zwischen den Kontakten 52 und 54 gehalten.

Eine neue Gleichspannung-Impulsgabe (mit gleicher wie vorherige Polarität) an die Kontakte 54 und 56 ruft im

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spiralförmige¹¹ Piezoelement Verbiegungsdeformationen

jetzt .. sein

hervor, die das spiralförmige Piezoelement abzuwickeln und be-

wegliches Ende aber in entgegengesetzter Richtung zu ver-

der
schieben versuchen. Bei Gleichheit mechanischen und magnetischen

Kräfte erfolgt das Ansprechen des Heiais, und das System rückfc

A A

in die Ausgangsstellung zurück; d.h. die Kontakte 53 und 54· sowie 52 und 56 sind geschlossen.

In Fig. 12 ist eine der Anwendung smb'glichkeit en der Anlage gezeigt. Bei der Zuführung . : einer Reihe von Impulsen positiver Polarität und bestimmter Dauer bekommt man auf der Belastungseite eine Reihe von Impulsen, in der jeder geradezahlige ' Impuls negative Polarität aufweisen wird (Fig. 13a).

Beim Anschluß/andie Beiast ungsseite\einer Diodej, die den

ät ü

Impuls negativer Polarität überbrückt, kann man am Ausgang

erhalten eine Reihe positiver Impulse mit einer Folgefrequenz, die

zweimal geringer als die Frequenz der Einschaltimpulse ist. Außerdem kann man unter Berücksichtigung der möglichen

A A

Umpolarisierung piezokeramischer Materialien bei speziellen Arbeitsfolgen eine solche Größe von Einschaltimpulsen aus-

n-ten wählen, daß sich die Anordnung vom jeweils Impuls auslösen

und dadurch den Teilungsfaktor (2n) sichern wird. Die Zuführung eines Spannungsimpulses wesentlicher Dauer

führt dazu, daß während der Wirkung dieses Impulses die Ein-

A A

richtung sich mehrmals auslös en. kann" - ' ' und am Ausgang

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auch ein Umsehaltsignal erscheint, dessen frequenz durch die Amplitude des Erregungsimpulses (Fig. 13b) bestimmt wird. In diesem Fall arbeitet die Einrichtung als Impulsgenerator.

Die Zuführung · * ; gleichzeitig einer Spannung bestimmter Größe und einpoliger Einsehaltimpulse ermöglicht es, die Einrichtung als elektromechanischen Träger (Fig. 13c) einzusetzen«

Dadurch kann die vorgeschlagene Relaiskonstruktion mit einpoliger Auslösung als elektromechanisch« Triggerschaltung bezeichnet werden, die die Funktionen eines Relais mit einpoliger Auslösung, eines Frequenzteilers mit einem Teilungsfaktor 2 und höher (2n), eines Triggers, das heißt eines Wandlers von Impulsen gleicher Polarität in Gleichspannung unterschiedlicher Polarität sowie eines Generators für Hiederfrequenzschwingungen erfüllen kann·

Es muß auch bemerkt werden, daß anstelle von Kontakten in Form eines Magneten auch Quecksilberkontakte verwendet werden können, wie es bereits in der Konstruktion eines Relais mit Quecksilberkontakt beschrieben wurde· In diesem Fall wird die Ansprechschwelle durch die Kräfte der Oberflächenspannung des Quecksilbers bestimmt.

Ein spiralförmiges Piezoelement stellt ein mechanisches Schwingsystem mit gestimmten Parametern dar und zeichnet sich von allen mechanischen Schwingsystemen, die in Form von Federn und Spiralen aus Metgllen oder piezoelektrischen Dielektrika ausgeführt sind,

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dadurch aus, dafl.es * eine Enargieart₍ zum Beispiel elektrische in eine andere Energieart - mechanische

wünrend
Energie umwandelt, alle bekannten Spiralen mechanische Schwingungen lediglich unter Einwirkung von mechanischen . äußeren Kräften vollziehen· Eine solche Eigenschaft spiralförmiger Piezoelemente ermöglicht es_f Uhrenwerke mit Hemmung wesentlich zu vereinfachen·

W Gegenwärtig werden piren mit Hemmung und elektromagnet!- schem Antrieb immer breiter angewendet, als Beispiel solcher Uhren können einheimische Tischuhren vom Typ "Majak" für Haushaltzwecke genannt werden. Diese Unr, abgesehen von ihrem relativ hohen Preis, erfreut sich guter Nachfrage,

Das Wirkungsprinzip der üblich bekannten elektromechanischen Uhren oeruht auf der Wechselwirkung von Magnetfeldern· Durch die Wicklung eines Elektromagneten. strömt Niederfrequenz-Wechselstrom, der zum Auftreten eines magnetischen .Vechselfeldes

^ führt. In diesem Feld befindet sich ein permanentes Magnetstück, P

das auf einem Unruhrad mit Rückzugfeder, bezoichnet als Spiralfeder, befestigt ist. Das Zusammenwirken magnetischer Felder und der Spiralfeder verursacht Schwingungen des Unruhrades mit einer Fe st frequenz. Der IT&chteil einer solchen Uhr ist ihre relative Kompliziertheit und großer Arbeitsaufwand bei ihrer Fertigung, was ' im wesentlichen Maße durch die Anzahl von Bauelementen bestimmt, die eine hohe Genauigkeit der Fertigung fordern.

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Erfindung Zv;eck dieser Weiterbildung der V ist die Vereinfachung

des Aufbaus und die Verminderung des Arbeitsaufwandes bei der Fertigung elektromechanischer uhren.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Umwandler der elektrischen Spannung in mechanische Schwingungen des Unruhrades in Form eines spiralförmigen Piezoelementes aus-SefShrt wird.

Der Spannungsumwandler 59 . in' dem Kinematikschema (Fig. 14-)

ein
ist an spiralförmiges Piezoeleaent 60 mittels Klemmen 61, 62,

Das
63, 64, 65 angeschlossen, spiralförmige Piezoelement 60 ist mit einem Ende starr an einem beweglichen Stift 66 befostigt, der sich auf der Führung 67 mittels Mikrometerschraube 68 bewegt. Die Führung 67 wird an einem Vorsprung 69 des Uhrengehäuses befestigt.

Das andere Ende des spiralförmigen Piezoelementes ist an einem metallischen Streifet 70 festgemacht, der seinerseits an einem Stift 71 befestigt wird, der an der Uhrenunruh 72 montiert ist.

Die Unruh ist in den Lagern 73 und 74- angebracht, die die Bewegung vom Unruhsystem an den Ankerbogen 75 abgeben, der sich in den Lagern '/6 und 77 befindet und mit einem Zeit - anzeigewerk verbunden ist.

Die Schaltung des Umwandlers hat eine Gleichspannungs— quelle 78 (Fig. 15), spiralförmiges Piezoelement 60, ^rJ?ransistoren 79 und 80, Verschiebungswiderstande 81 und 82 und Aus-

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zum
lösungskapazität 83 im Nebenschluß Widerstand 81₀

• >

Die Schaltung stellt einen selbsterregten Gegentaktschwingungserzeuger dar.

Im Moment der Einschaltung der Quelle 78 öffnet sich der Transistor 79 einjwenig durch den Strom im Widerstand 82· In diesem Augenblick erfolgt die Ladung der Eingangskapazität des spiralförmigen Piezoelementes durch die Schienen 62, 61 und fc weiter durch die Emitter-Basis des Transistors 80 und dann durch die Auslösungskapazität 83· Der Strom durch den Transis-

e ine
tor 80 öffnet ihn für gewisse Zeit^ . die zur Selbsterregung

auf

der Schaltung ausreichend ist» Im weiteren gelangt die Transistoreingänge auf Kosten der Rückkopplung unterschiedlichpolige Spannung, die den Umwandler im erregten Zustand unterhält. Die Schaltung wirkt dabei in einem besonders sparsamen Schalterbetriob.

ein
Im erregten Zustand gelangt elektrisches UmschaItsignal

durch die Schiene 61 an die Elektrode der piezoelektrischen ™ Spirale. Dieses Signal ruft veränderliche Verbiegungsdeformation des spiralförmigen Piezoelementes durch den rezuroken

Piezo, effekt hervor, was zu einer Verschiebung des .Spiralendes führt. Diese Verschiebung wird durch den metallisehen Streifen 70, der das spiralförmiges Piezoelement fortsetzt, - unruh 72 übertragen. Die Piezospirale 60 und der metallische Streifen 70 bilden zusammen eine Spiralfeder. Die Spiralfeder stellt zusammen mit der Unruh ein Schwingungssystem

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mit konzentrierten Parametern dar, dessen Eigenfrequenz durch die Härte der Spiralfeder und das Trägheitsmoment der Unruh bestimmt wirdeDurch die Elastizität dünner keramischer Platten kann die Schwingungsamplitude der Unruh (wie die angestellten Versuche es beweisen) eine Größe bis j56O° erreichen. Das ist

I*

mehr als ausreichend für die präzise Arbeit etnes Uhrwerkes* Die in den Schienen 63 und 65 durch den .. Piezoeffekt entstehende Rückkopplungsspannung steuert die Frequenz des Umwandlers und macht eie der Eigenfrequenz der mechanischen Schwingungen des Systems gleich; diese Frequenz kann sich auf 0,5 - 3 Hz belaufen.

Unwesentlicher Leistungsbedarf des jeweiligen piezospiralen Elementes sowie hoher X-lutzeffekt der Schaltung des Umwandlers ermöglichen, die I3etriebszeit ". beträchtlich zu erhöhen·

Es reicht für die Gangregulierung,, mittels Drehung der

Schraube 68 den Stift 66 zu verschieben und dadurch die Eigen-

d er pi

frequenz mechanischen: Schwingungen des Systes in einem geringen Bereich zu ändern·

Im Antrieb der Uhren mit Unruh und einer Spiralfeder in Form eines spiralförmigen Piezoelementes, das in der Beschreibung des Uhrwerkes zu dieser Erfindung angegeben ist, führt die Unruhachse Schwingungsbewegungen aus. Auf der Grund— lage eines spiralförmigen Piezoelementes kann man aber auch eine ■ Konstruktion entwickeln, bei der sich die Achse

2 0 9 8 3 0/1181 ^BAD ^omQmAL

diskret in einer Richtung drehte·

Ähnliche elektromechanische Systeme werden üblich als

den
Schrittmotoren bezeichnet und zu elektrischen Motoren gezählt.

Bekannt sind Schrittmotoren, die mit einem elektromagnetischen Antrieb ausgeführt werden. Solche Motoren sind eingehend in der fachtechnischen Literatur beschrieben. Sie finden einen breiten Einsatz in der Telefonie, Automatik und Telemechanik. h Die Herstellung von Schrittmotoren mit elektromechanischen Antrieb für geringe Leistungen ist jedoch mit einer Reihe von Schwierigkeiten verbunden, die auch bei der Entwicklung von Kleinstrelais geringer Leistung vorhanden sind, die von uns bereits oben in der EeschreiDung von Relais gemäß dieser Erfindung erwähnt wurden»

In diesem Zusammenhang wxru. zwecks Verminderung der

Abmessungen, des Leistungsbedarfs und der Fertigungskosten

ein

von kleinen Schrittmotoren vorgeschlagen, als Antrieb spiralförmiges Piezoelement einzusetzen, dessen bewegliches Ende mit jedem an das Element angelegten Spannungsimpuls das Zahnrad um einen Zahn (Schritt) dreht, wobei die Fixierung des Zahnrades mittels einer zusätzlichen Feder erfolgt.

Das Piezoelenient 84- (Fig. 16) in Form einer piezokerami-

schen einlagigen bzw. bimorphen Spirale ist starr mit einem

Das

Ende an dem Gestell 85 des Gehausos 86 festgemacht, spiralförmige · Piezoelement wird elektrisch an dio Lamellen 87 und 88 durch Verbindungsstifte 89 und 90 angeschlossen, mit denen

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-.39 -

es mittels Leiter 91 und 92 verbunden wird·

,Am freien Ende des spiralförmigen Piezoelementes ist eine dünne Flachfeder 935 befestigt, die in der Ausgangsstellung auf der Oberfläche eines der Zahne des Zahnrades 94 (Sperrad) mit innerer Anordnung der zähne liegt. An die Radebene des Zahnrades ist ein Bügel 95 festgemacht indessen Mitte eine Liotorwelle 36 befestigt ist_o Die Welle kann frei in den Lagern 97 und 98 (FiG. 16a) laufen.

Die Flachfeder 99 liegt auf der Oberfläche eines der Zähne des Rades 94 und wird an das Gehäuse 86 angeklebt.

An das Gehäuse des uotors ist der Deckel 100 angeklebt, in dem sich das Lager 97 befindet.

Bei . Spannungsanschluß an die Lamellen 87 und 88 wird die Spannung durch die Verbindungsstifte 89_f 9Q und Leiter 91 und 92 an das spiralförmiges Piezoelement 84 angelegt. Das Ende des Piezoelement es bewegt sich und dreht durch die Feder 93 das Had 94 um einen Zahn.

Bei Spannungsabschaltung kehrt das Spiralende in die Ausgangsstellung zurück. Die Drehung des Rades in der Umkehrrichtung wird bei Rückkehr¹ des Spiralendes in die Ausgangsstellung von der Feder 99 verhindert. Bei . jede neuen Impuls dreht sich das uad um einen Zahn (Schritt).

Der Motor kann auch von rfechselstromspannung betrieben werden (zwei Schritte pro Periode), In diesem Fall jedoch soll die Feder 93 im Anfangszustand (beim Fehlen eines

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2152987

elektrischen Signals) mit geringer Kraft an die Oberfläche des

jeweiligen Zahnes angedrückt werden. Kleine: Werte des Leistungs-

bedarfes etwa von 0,1 mW ermöglichen es, den ohenbeschriebenen Motor in Präzisionszeitanzeigegeräten sowohl beim Vorhandensein autonomer Speisung als auch vom Wechselstromnetz mit einer Frequenz von 50/60 Hz einzusetzen·

Die großen _ Verschiebungen spiralförmiger Piezoelemente erlauben es, für sie noch ein Einsatzgebiet zu finden, und

zwar als Antriebe für Meßgeräte.

A *

Bekannte elektrische Meßgeräte werden auf der Basis •mpfiindlicher Galvanometer gebaut, deren Antrieb ein magnet elektrisches oder elektromagnetisches System darstellt. Zu den Nachteilen solcher Geräte gehört ein · relativ niedriger Wider-

A ·*

stand und die Kompliziertheit der Fertigung, was ihren hohen Preis verursacht. Außerdem sind die Abmessungen solcher Geräte

und ihr Gewicht in vielen Fallen unzulässig groß»

* A

Bekannt sind Verauche, Meßgeräte mit einem Antrieb in

Form eines bimorphen Piezoelementes herzustellen, sie fanden jedoch keinen breiten Einsatz, da ihre Verschiebungen unzulänglich sind, um hohe Empfindlichkeit zu erhalten·

Das Ziel dieser Erfindung besteht in der Verringerung der Abmessungen, des Gewichtes und in der Steigerung der Empfindlichkeit des jeweiligen elektrischen Meßgerätes· Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als An-

ein
trieb in elektrischen Meßgeräten spiralförmiges Piezoelecient

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verwendet wird, das mit dem einen Ende festgemacht und mit dem freien Ende an die Buchse angeschaltet wird, deren Achse durch den Schwerkraftmittelpunkt des jeweiligen spiralförmigen Piezoelementes läuft. An demHadkreis ist ein biegsamer Faden befestigt, dessen zweites Ende um die Zeigerachse gewickelt und an ihr Defestigt ist·

Das spiralförmige Piezoelement 101 (Fig. 17) - einlagig oder bimorph ' - mit Klemmen 102 und 103 ist mit dem einen Ende an eine Säule 104 festgemacht, die mit dem Gehäuse des Gerätes steif verbunden ist.

Das zweite Ende des spiralförmigen Piezoelementes wird mit dem Stab 105 gekoppelt, der am Boden der Buchse 106 befestigt ist, Der Stab 105 kann sich leicht _vum seine eigene · Achse um einen gewissen Winkel drehen»

nie Achse der Buchse 107 (Fig. 17) dreht sich frei in Lagern 108 und 109, An die Außenseitenfläche der Buchse ist ein dünner und biegsamer Faden ί10 angeschlossen, der um eine Achse 111 gewickelt und an ihr befestigt wird· An der .achse 111 ist ©in Meßzeiger 112 angeordnet, dessen Lage nach einer Skala 113 festgelegt wird. Die Zeigerachse dreht sich frei in Lagern 114 und 115 und wird mittels eirer Rückholfeder 116 in erforderlicher Stellung fixiert.

Beim Anschluß der Spannung _an die Klemmen 102 und IO3 erfolgt die Verschiebung des beweglichen Endes des spiral-

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2)62987

förmigen Piezoelementes 101, die durch den Stab 105 an die Büchse 106 abgegeben wird. Die letztere dreht sich, wickelt den Faden 101 auf und bewirkt eine lineaue Verschiebung dos Fadens, dessen Bewegung an die Achse 111 übergegeben wird» Die Drehung der Achse 111 verursacht die Lageänderung; dos Zeigers 112 {jegenüber der Ableseskala 115. Bei Abschaltung der Spannung rückt die Feder 116 den Zeiger in die Ausgangsstellung zurück,» ™ Die Verschiebung des Endes des jeweiligen spiralförmigen Piezoelementes ist der elektrischen Spannung proportional, deswegen "hat - das Gerät eine lineare Skala· Durch die großen Verschiebungen des Antriebes kann der

Drehwinkel bis 360° erreichen· Das ermöglicht, die Skalaabmes-

die
sungen und somit auch des gesamten Gerätes beträchtlich zu

reduzieren.

Außerdem kann das Gerät, dank geringerer Breite des spiralförmigen Elementes, in einer flachen Variante ausgeführt werden, ^Die Besonderheit eines solchen Gerätes ist auch sein hoher Eingangswiderstand, der 10 " 0hm übersteigen kann· Außerdem kann

das Gerät für verschiedene Spannungsbereiche von 10 bis zu einigen Kilovolt ausgeführt werden»

Bei Notwendigkeit der Messung der 7/echse!Stromspannung am Eingang des jeweiligen Meßgerätes wird ein Gleichrichter angebracht, dar in. Brückenschalbuny oder ,Jpannun^s-Verdopp-1 Lindas G hai bung wirkt ,» Dabei ist keine zusätzlich? Kapazität αüCorderlich, da tlLa- Kapaaiüäb des n^. i.rulCörcJL^Gn ^lezoeljri-irA α ,

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- 43 für die überbrückung der variablen Komponente des gleichge*·

> j· ~ a

richteten Signals ausreichend ist,

^as Meßgerät mit spiralförmigem Piezoelement enthält keine Magnete und deshalb ist sein Gewicht bedeutend niedriger als das Gewicht sron Meßgeräten anderer Bauart_o Zur Beseitigung der Sprunghaftigkeit der Ze !herbewegung bei Messung reicht es,

dem am L'ingang des Gerätes in - Reihe mit spiralförmigen Piezoelement einen Widerstand einzuschalten. Durch die Wahl dieses Widerstands karua man die Zeitkonstante der Ladung und Entladung der Ligenkapazität des jeweiligen spiralförmigen Piezoelement es

A A

in einem breiten Bereich ändern. In Zusammenhang damit entfallt vollständig die Hot wendigkeit einer- mechanischen Däjnpfung

Λ A

eines solchen Gerätes, Diese- besondere Eigenschaft ist einer der Vorteile des Meßgerätes mit elektromechanischen! Antrieb in Form eines spiralförmigen Piezoelementes,

jügonwartig entsteht bei dar Losung einer ganzen Reihe technischer Probleme eine Notwendigkeit, den niederfrequenten Kauschhintergrund eines Hutzsignals mit einer -Frequenz unter-50 Hs auszuseheiöen«

Zur Lösung dieser Aufgabe werden passive LC-Filter, aktive RC-Filter sowie passive Piezofilter angewendet. Alle diese Filter ^J ^u ' in vielen Fallen den ständig wachsenden Anforderungen an ihre Llaßo, ihr Gewicht und ihre Kennlinien nicht gerecht,

Zo haben mm Eeispiel die LC-FiIter bei diesen Frequenzen

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unzulässig große Abmessungen und hohes Gewicht, und ihre Gute erreicht bestenfalls etwa zehn Einheiten· Solche Filter haben außerdem hohen Preis und tujzureichende Betriebssicherheit, was in erster iiinie auf das Vorhandensein von Aufwicklungselementen zurückzuführen ist. Die gleichen Nachteile wenn auch in einem geringeren Maße sind auch den aktiven RC-Filtern eigen, die ein aktives Element und dazu noch hochstabile kapazitive Elemente hoher Kapazität benötigen·

*

Die Maße solcher Elemente erweisen sich auch als zu groß. Aktive RC-Filter zeichnen sich außerdem durch . Nachteileaus wie die Begrenzung der Pegel des jeweiligen Eingangssignals, die Möglichkeit ihrer Selbsterregung, niedrige Gütequalität (bis 50 Einheiten) und eine Reihe anderer Nachteile·

Bekannt sind piezoelektrische Transfilter, das heißt Filter mit einem Niederfrequenztransformator in vereinter Konstruktion, in denen das Piezoelemönt in Form einer freitragend

^ einer

P gelagerten bimorphen Platte mit ' am freien Ende angeschlossenen Masse ausgeführt wird, die zum Beispiel im Buch "Magnetische und dielektrische Geräte unter Redaktion von G»W· Katz, Teil 1, S. 252, Verlag "Energija", 1964-, russisch herausgegeben, beschrieben sind.

Zu den Nachteilen solcher Filter gehören ihre beträcht-

A A

liehen Abmessungen bei Niederfrequenzen, wenn die Länge bimorpher Eltmtnte unzulässig groß ist· Ein weittrer nicht weniger

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wichtiger .Nachteil solcher .Filter besteht darin, daß sie unter Einwirkung permanenter und veränderlicher mechanischer Belastungen nicht funktionier en,; können, da die kleinen» an die Masse angelegten Kräfte zur wesentlichen Verbiegung und zur Zerstörung der. Platten führen oder beim Vorhandensein eines .Bewegungsbegrenzers der Masse dazu führen, daß das Filter während der

A A

überlastung ausfällt,

Die genannten .Nachteile sind nicht so schwerwiegend, das

wenn Piezoeiement in Form eines mit einem Ende fixierten spiralförmigen Piezoelementes ausgeführt wird, dessen freies Ende an eine Schwungmasse angeschlossen ist, die in Form eines Schwungrades ausgerührt wird» Gerade ein solches piezoelektrisches

Transfilter ist der Gegenstand dieser Erfindung.

üas i'ilter beinhaltet ein piezoelektrisches spiralförmiges Element 117 (Fig. 18), dessen innen- und Außenflächen mit

Elektroden überzogen sind. Mit dem einen Ende wird das spiralförmige Piezoeiement an eine ortsfeste Säule 118 befestigt, die im unteren Teil des Gehäuses 119 eingepreßt ist und gleichzeitig als Verbindungsstift für die Innenelektrode des spiralförmigen Piezoelementes dient· Mit seinem zweiten Ende ist das Element an einem Stift 120 befestigt_t der starr an dem Schwungrad 121 festgemacht wird« Das Schwungrad 121 sitzt auf einer Achse 122, deren Enden sich in zwei Korundlagern 125 und 124 befinden, die in den Bohrungen des Gehäuses 119 und des Deckels 122 (Fig. 18a)

angeordnet sind. Der Deckel ist mit Stiften 126 und 127 fixiert,

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die ins Gehäuse 119 eingepreßt sind, und mit Klebstoff mit dem Gehäuse verbundon.

Dünne Ausführungsdrähte verbinden die mit Elektroden über-

Λ A A *

zogenen Abschnitte des spiralförmigen Piezoelementes mit den Verbindungsstiften 118, 128 und 129. Die Verbindungsstifte ragen aus dem Gehäuse hinaus und werden elektrisch mit den Lamellen 130 und 131 verbunden (in Fig. 18a sind zwei Lamellen 130 und |. 131 gezeigt, die mit den Verbindungsstiften 128 und 129 gekoppelt werden)·

Die Innenfläche des spiralförmigen Piezoelementes II7 ist vollständig mit einer Elektrode 132 überzogen, wie es . · in Fig. 19a gezeigt ist, während die Außenfläche mit zwei Elektroden 133 und 134- überzogen ist, die diese Fläche in zwei Abschnitte

*■ A

teilen. Beim Einsatz eines einlagigen spiralförmigen Piezoelementes 117 (Fig. 19a) werden alle Elektroden 132 y 133 und mit Ausführungsdrähten versehen«

Die Elektroden 132 und 133 dienen zum Beispiel als Ein-

gangselektroden und 132 und 134 als Ausgangselektroden (Fig. 19a),*

können

für ein bimorphes spiralförmiges Element 135 (Fig. 19b) als Ein-

* A

gangselektroden * die Elektroden I36 und 138 und als Ausgangselektroden die Elektroden 137 und 138 dienen. Beim Anschluß einer Quelle^e:Lne^ elektrischen Signals an

©in.

die Ausgangselektroden wird elektrisches Signa} von den Eingangselektroden abgenommen, dessen maximaler Wert bei der Resonanzfrequenz mechanischer Schwingungen des Systems erreicht

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wird· Die Resonanzfrequenz der Schwingungen des Systems ohne

kann Schwungmasse beträgt etwa 10 Hz und mit einer Schwungmasse bis 1 Hz fallen. Der Koeffizient der Spannungsübertragung, der als Verhältnis des Eingangssignals zum Ausgangssignal bestimmt wird, kann in Abhängigkeit von pie zoker amis ehern Material 2 f 5 gleich sein·

Die erörterte Konstruktion eines lliederfrequenz-Transfilters hat einen begrenzten Koeffizienten der Spannungsumwandlung, was in Einzelfällen als Nachteil angesehen wird«

Zwecks Erhöhung des Koeffizienten der Spannungsumwandlung wird ein piezoelektrisches Transfilter in Form zweier spiralförmiger Piezoelemente ausgeführt, die mit dem einen Ende steif befestigt werden und das andere Ende jedes Elementes an die :. ·:'·■. Schwungmasse in i'Orm eines Rades angeschlossen ist·

iiuf dem Kinematikschema kann das auf einer Achse 140 sitzende Schwungrad 159 (JB¹Igο 20) frei in Lagern 141 und 142 laufen. Am Rad 139 gibt es eine Säule 143_f an die die beweglichen Enden spiralförmiger Piezoelemente 144 und 145 festgemacht sind. Die anderen Enden dieser Elemente werden steif in den Säulen 146 und 147 befestigt, die im Gehäuse des Filters eingebaut sind.

Der Anschluß der Klemmen 148, 149, 1f?0 und 151 ist in Fig. 21 (a und b) abgebildet, wo a) den Anschluß des spiralförmigen Piezoelementes 144 und b) den Anschluß des Elementes 145 zeigt. Mit Pfeilen wird hier auch die Polarisationsrichtung des Materials gezeigt«

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Bei Spaniiungsanlegung an das Element 14-4 wird sein Ende in Schwingungsbewegung gebracht, die durch die Säule 143 Deformation des Elementes 145 hervorruft. Im letzteren wird durch den geraden Piezoeffekt Spannung erzeugt, deren Größe bei der Resonanzfrequenz des gesamten'Schwingsystems maximal ist. Para3-.lele Reihenkopplung _zweier Spiralen sowie ihre Dickendifferenz führen dazu, daß ein solches System die-Eingangsspannung transformieren und um das 3O-5Ofache verstärken kann. Dadurch kann ein spiralförmiges Piezoelement dank seinen transformatormäßigen Eigenschaften als Spannungswandler mit einem sehr hohen Eingangsund Ausgangswiderstand angewendet werden, zum Beispiel zur Verstärkung der Spannung eines Signals mit industriellen Frequenz von 50 oder 60 Hz.

Ein spiralförmiges Piezoelement ermöglicht es, noch eine sehr wichtige Eigenschaft zu realisieren, und zwar elektrische beziehungsweise mechanische Steuerung der nesonanzfroquenz.

Bekannte Piezoelemente zur Erregung zum Beispiel von Longitudinalwellen können praktisch auf eine andere Frequenz ⁿicht umgebaut werden, wie es in den LC-Ereisen durch Abänderung von Kapazität oder Induktivität gemacht wird. Das ist ein wesentlicher Uachteil piezoelektrischer Auswahlsysteme.

Die Bauart eines Piezofilters, die auf dem Schema (Fig. 22) abgebildet ist, erlaubt es, diesen Hachtoil wenigstens bei Niederfrequenz-Filtern zu beseitigen.

Das gestellte Ziel wird dadurch erreicht, daß acß beweg-

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j. 4.9 -

lichen Ende des jeweiligen spiralförmigen Piezoelementes eine aus ferromagneticchem Material bestehende Masse angebracht wir dj dieses Material befindet sich in einem Magnetfeld_f dessen Größe elektrisch oder mechanisch geändert wird.

DasjbpiralförmigG Piezoelement 152 hat eine am beweglichen

1 Λ

Ende befestigte Masse 153 aus weichem oder hartem magnetischem Material· Diese Masse befindet sich im Luftspalt des ringförmigen Magnetleiters 154-, der eine Wicklung 155 aufweist. Die Spannung an die Spirale wird durch Ausführungsklemmen I56 und 157 zugeleitet.

Beim Vorhandensein eines magnetischen Gleichfeldes ist die Magnetmasse 153 von einer Belastung beeinflußt, die durch Gegenwirkung der Spirale 152 ausgeglichen wird. Dabei erwies es sich, daß die Frequenz der Eigenschwingungen von der Größe dieser Einwirkung abhängig ist, die ihrerseits vom Strom in der Wicklung 155 oder von der Anordnung der Masse 153 gegenüber den

Λ.

Magnetleiterpolen in Abhängigkeit steht.

Also kann man mittels Abänderung des Stromes in der Wicklung 155 oder mittels Drehung des Magnetleiters 154- dadurch auch die Eigenfrequenz der Schwingungen des mechanischen Spirale-Masse-Systems verändern. Das gestattet, die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Transfilters um ; 30% -zu verschieben.

Niedrige Kosten spiralförmiger Piezoelemente und deren ausreichende Kräfte, die sich am Ende der jeweiligen Spirale entwickeln, ermöglichen es, noch ein Einsatzgebiet, und zwar

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in Signaleinrichtungen zu finden.

Bekannt sind Signaleinrichtungen, die in Form zweier metallischen Resonatoren ausgerührt werden, zwischen denen sich ihr Erreger befindet, der in Form eines flachen Piezoelementes ausgeführt ist (Patent der USA Nr. 3218636).

Zum Nachteil dieser Einrichtung gehören relativ hohe Kosten des Piezoelementes sowie ungenügend hohe Leistung des Schallsignals, die hauptsächlich durch di© Leistung des Piezoelementes bestimmt ist.

Dadurch besteht das Ziel der Erfindung in der Kostensenkung der Signaleinrichtung und in der Steigerung ihrer Lei stung.

Das gestellte Ziel wird dadurch erreicht, daß der Erreger der Signaleinrichtung in Form eines spiralförmigen Piezoelementes ausgeführt ist, das mit dem einen linde starr befestigt ist und an dem anderen Ende festgemachte Klöppel-Masse trägt.

Auf einer ^runaplatte 158 (Figo 23) ist mittels einer Schraube 159 ein Resonator 160 befestigt, in. dessen Zentrum eine säule 161 aufragt,, an der das eine Ende des spiralförmigen Piezoelementes 162 festgemacht wird. Am beweglichen Ende des spiralförmigen Piezoelementes ist der Klöppel I63 befestigt. An den Träger 158 wird mittels Säulen 164, 165, 166 und I67 ein Deckel 168 festgemacht, in dem Bohrungen für die Ausführungsdrähte I69 übcL· 47Ο ύ»£ ßpÄräI# angebracht sind, die an die Ausgangslamellen 171 und 172 angelötet sind.

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Die Befestigung der Einrichtung erfolgt unter Zuhilfenahme metallischer Streifen 173 und. 174 mit Scnrauhenlöchern-175t 176, 177 und 178.

Bei Anlegung der Wechselspannung an die Lamellen 171 und 172 setzt das spiralförmige Piezoelemont 162 den Klöppel I63 in Bewegung, der bei dem Zusammenstoß mit dem Resonator 166 Schallsignal erzeugt. * Die Einrichtung kann auch von der Spannung mit einer Frequenz 30 Hz, die gewöhnlich in Fernsprechapparaten verivendet wird, sowie vom Industrienetz mit üblicher Frequenz von 50 oder 60 Hz betrieben werden»

Spiralförmige Piezoelemente können noch ein Einsatzgebiet

Λ ß

in Einrichtungen für die Umwandlung elektrischer Energie in Schallenergie und umgekehrt, zum Beispiel in - dynamischen Lautsprechern, finden.

Zur Zeit finden vorwiegend solche . . 'dynamischen Lautsprecher Einsatz, deren elektromechanisches System ein magnetelektrisches System darstellt. Dieses · System benötigt einen permanenten Magnet, der das Gewicht des jeweiligen elektrodynamischen Lautsprechers beträchtlich erhöht. Auflerdem ist der Eingangswiderstand solcher Lautsprecher bei Niederfrequenzen besonders niedrig. Das macht öfters den Einsatz von Anpassungstransformatoren - . erforderlich, was zu einem wesentlichen !lachteil gehört. Der Nachteil besteht auch in hohen Kosten dynamischer Lautsprecher© Deshalb hat diese Erfindung zum Ziel, das Gewicht die

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Kosten . . dynamischer Lautsprecher zu senken und den Eingangswiderstand bei Niederfrequenzen zu erhöhen.

Das gestellte Ziel wird dadurch erreicht, das die elektromGchanische Schaltung in Form zweier spiralförmiger Piezoelemente ausgeführt ist, deren bewegliche Enden durch einen

(die Membran)
Stab an don Diffusor angeschlossen sind.

Zwei spiralförmige Piezoelemente 179 und 180, wie es auf dem Schema der Fig. 24 abgebildet ist, werden mit ihren beweglichen Enden an den Stab 181 angeschlossen, der an der Spitze des Lautsprecherkonus , 182 befestigt ist, dessen Grundplatte am Gehäuse des 'dynamischen Lautsprechers festgemacht wird. Durch die Klemmen 185, 186, 183| 184 sind spiralförmige Piezoej-eiaente an den Ausgang des .Niederfrequenz— verotürkers angeschlossen*

am besten
Die Spiralen werden parallel geschaltet und ihre

Schwingungen sollen phasengleich sein· Bei ungleichphasiger Einschaltung ist der Platzwechsel zum Beispiel der Klemmen 183 und 184 erforderlich. Phasengleiche Schwingungen der Spiralen mit Schallfrequenz werden durch den Stab 181 an den Diffusor abgegeben, der Schallwellen in den Raum ausstrahlt· Die Anzahl der Spiralen, mindestens zwei, sichert die

erforderliche Strahlungsleistung und die >: symmetrische

Anordnung

gegenüber dem Stab 181 . . , ; schließt Verbiegungsdeformationen des Stabes aus, die Verzerrungen der Frequenzkennlinien des . . dynamischen Lautsprechers

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verursachen.

Der Eingangswiderstand ist dabei bei Niederfrequenzen fast um das 100Ofache höher im Vergleich zu elektrischen Laut-Sprechern. Das Gewicht des Erregers ist auch geringer gegenüber den bekannten elektromagnetischen Erregern. Außerdem sollen die Herstellungskosten elektrodynamischer Lautsprecher mit spiralartigen Erregern bei Massenfertigung niedriger liegen,

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

iJ Piezoelektrisches Element, dadurch gekenn

zeichnet ,daß es in Form einer Spirale ausgeführt ist·

2» Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadur ch gekennzeichnet ,daß die Spirale in Form einer verschlossenen 'Wicklung ausgeführt ist,

3. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, 2, dadurch gekennzeichnet ,daß die Spirale aus piezokeramischem Material gefertigt wird,

4» Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, 2, J5j dadurch gekennzeichnet, daß die Spirale

eine Bandform aufweist und mindestens aus einer Schicht besteht.

5· Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, 2, 3* 4,

die dadurch gekennzeichnet ,daß zylindrischei'-

bzw. konische^Oberflächen jeder der Spiraleschichten mit leitfähiger Folie überzogen sind.

6, Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, 2, 3, 4, dadurch gekennzeichnet ,daß eine der zylindrischen bzw, konischen Oberflächen der Spirale jeder der Schichten mit leitfähiger Folie überzogen ist und die andere mindestens aus zwei leitfähigen Folien besteht, die voneinander elektrisch isoliert sind»

7φ Piezoelektrisches Element nach Anspruch I, 2, 3, 4, dadurch gekennzeichnet ,daß jede der

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zylindrischen bzw, konischen Oberflächen jeder der Spiralschichten mindestens aus zwei leitfähigen Folien besteht, die voneinander elektrisch isoliert sind·

8φ Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, 2, 3> 4, 5» dadurch gekennzeichnet ,daß mindestens eine Schicht der Spirale in der Richtung der Schichtdicke polarisiert ist«

9. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, 2, 3, 4, 6, dadurch gekennzeichnet ,daß mindestens eine Schicht der Spirale in der Richifcung der Schichtdicke polarisiert ist.

10. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, 2, 3| 4, dadurch gekonnzeichnet ,daß mindestens eine Schicht der Spirale in dor Richtung der Schichtdicke polarisiert ist.

11. Verfahren zur Herstellung eines einlagigen piezoelektrischen Elementes nach Anspruch 1_f 2, 3» 4, nach dem ein . ungeröstetes piezokeramisches Band gewormerw wird, -

das , einen Stoff auf der Grundlage von bei einer Temperatur von 900 bis 130O⁰C agglomerierenden Oxyden, zum Beispiel BaO und TiOp,sowie einen anorganischen Stoff, sum Beispiel KaUtSChUIc₁ enthält, dadurch gekennzeichnet ,daß man zusätzlich ein ungeröstetes Band herstellt, . das . . . ~ -■'■■■ S einen Stoff auf der Grundlage von bei einer Temperatur über 1350 bis 140O⁰C

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agglomerierenden Oxyden, zum Beispiel AIq O^ enthält, beide Bänder aufeinander auf. legt, zu einer Spirale wickelt und bis zu einer Temperatur von 900 btä 13QO⁰C- . !röstet} . - und

^das -

ctaß man nach Abkühlung: AIpO* aus Zwischenwind ungsraumen der Spirale entfernt*

12* Verfahren zur iierstellung eines einlagigen piezoelektrischen Elementes nach Anspruch 1, 2, 3* 4-_f 5> I^» dadurch. gekennzeichnet _tdaß eine nach diesem Verfahren, gefertigte Spirale in flüssige -Paste getaucht wird, die Metallsalze oder LTetalloxycLe enthalt, sie aus der Flüssigkeit herausgeworfen_f getroek ^urLc3· ^bei- Reduktionsteniperatur der Metallsalze oder IJetalloxyden gerostet wird, wonach die Spirale vom überflüssigen Überzug befreit ' v/ird.

13· Verfahren zur Herstellung eines einlagigen piezoelektrischen Llementeo nach Anspruch 1, 2, 3» 9» Destehend darin, daß man ungerösteües piezokeramisches Band herstellt, das

einen Stoff auf der Grundlage von bei

P einer Temperatur von 900 bis 135O°C agglomerierenden Oxyden,

zum Beispiel BaO und TiOp sowie einen anorganischen Stoff, zum Beispiel Kautschuk enaxilllt, und daß man die Oberflächen

auf i.en
des Bandes erforderlichen Abschnitten mit einer Folie aus Metallsalz— oder I.Ietalloxydpaste, zum Beispiel aus Platin überzieht, dadurch gekennzeichnet ,daß

man zusätzlich ein ungeröstetes Band herste]It,. rias

* A Λ

einen Stoff auf der Grundlage von bei einer

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- 31 ~

Temperatur iron über 1350 bis 1400° agglomerierenden Oxyden, zum Eeispiel Al₂O* enthält, daß beide Bander aufeinander aufgelegt, zu Diner Spirale gewickelt und bis zu einer Temperatur von 900 bis 13OO^eC goröstet werden und nach Abkühlung aus den

das

ZwiBchenwindungsräumen der Spirale AIpO₇ entfernt wird.

, Yerfahrsn zur Herstellung eines zwoilagigen piezoelektrischen Elementes nach Anspruch 1, 2, 3> 4· ι bestehend darin, daß man zwei ungeröstet« piezokeramische Hauptbänder herstellt , die ' '_/ ' : einen Stoff auf der Grundlage von bei einer Temperatur von 900 bis 1500**0 agglonierierenden Oxyden, zum Beispiel BaO od*r' IiO₂ sowie einen anorganischen Stoff, zum Beispiel Kautschuk enthalten, die mit einer Folie aus Metallsalz- oder Metalloxydpaste überzogen werden, dadurch gekennzeichnet ,daß man zusätzlich ein ungeröstetes Band Herstellt, -das ·

■ einen Stoff auf der Grundlage von bei einer Temperatur von über 1350 bis 1400⁰C agglomerierenden Oxyden, zum Beispiel Al₂O? enthält, daß^^wei Hauptbänder aufeinander aufgelegt und feiifo/enig zusammengepreßt\zum Beispiel in Walzenj werden, wonach man auf sie das zusätzliche Band auflegt und sie alle zusammen mit dem letzteren zu einer Spirale wickelt, bis zu einer Temperatur von 900 bis 13OO⁰ röstet und nach Abkühlung

den _M das*

aus Zwischenwindungsräumeixder Spirale Al₂O^ entfernt,

15. Elektrisches R_elais, montiert auf der Basis eines

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piezoelektrischen Elementes, dadurch g e k e η η -

das
ze lehnet ,daß piezoelektrische Element gemäß Anspruch

1, 2, 3 der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist»

16. Elektrisches Relais, montiert auf der Basis mindestens zweier piezoelektrischer Elemente, dadurch gekenn zeichnet ,daß bei diesem die ineinander eingelegte, piezoelektrische Elemente eingesetzt werden, die nach Anspruch 1, 2, 3 der vorliegenden Erfindung ausgeführt sind.

17· Elektrische Uhr mit Umwandler der elektrischen !energie in mechanische Schwingungen des ünruhrades, dadurch gekennze ichnet ,daß als Umwandler -in

piezoelektrisches Element angewendet wird, das nach Anspruch 1, 2, 3 der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist,

18. Elektrisches Meßgerät auf der Basis eintjs

piezoelektrischen Elementes, dadurch gekenn—

das
ze ichnet ,daß piezoelektrisches Element nach Anspruch

1, 2, 3 der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist,

19· Elektrisches Filter mit -Lransformator in einer einheitlichen Konstruktion (Transfilter), montiert auf der Basis mindestens eines piezoelektrischen Elementes, dadurch

das
gekennzeichnet ,daß piezoelektrische Element nach Anspruch 1, 2, 3 der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist,

20. Schrittmotor mit elektrischem Antrieb, der auf ein Zahnrad wirkt, dadurch gekennzeichnet,

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ein

daß als Antrieb piezoelektrisches Element? angewendet wird, das nach Anspruch 1, 2, 3 der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist«

21· Elektrisches Läutewerk auf der Basis eines

piezoelektrischen Äleniontes, dadurch gekenn-

zeichnet ,daß piezoelektrische Element nach Anspruch 1, 2, 3 der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist,

22. Umwandler elektrischer Energie in Schallenergie, zum Beispiel ein dynamischer Lautsprecher, dadurch

gekennzeichnet ,daß eu auf der Basis mindestens eines piezoelektrischen Elementes gefertigt wird, das nach Anspruch 1, 2, 3 der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist.

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