DE2310582A1

DE2310582A1 - Piezoelektrischer wandler

Info

Publication number: DE2310582A1
Application number: DE19732310582
Authority: DE
Inventors: David Geoffrey James Fanshawe
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1972-01-30
Filing date: 1973-03-02
Publication date: 1973-09-13
Also published as: IT979752B; AU5297673A; FR2175812A1; GB1370164A; CA997055A; JPS48103258A; ES412456A1; FR2175812B1

Description

PHB. 32259. Iiifl.-ΓΒΓ. F-T. 7CUPFESiLiNN Beck/Va/RV.

AnirsJd-r: N.Y. Philips' Glceücmpenfabrfeken
ALieNe. PHB-32.239

Anmeldung vom: 1. März 1973

Piezoelektrischer Wandler.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Resonator mit einem piezoelektrischen Wandler, der aus einer Scheibe aus piezoelektrischem Material besteht, wobei auf zwei parallelen Flachen dieser Scheibe Elektroden angebracht sind. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf einen Resonator zum Erzeugen oder Detektieren von Schallwellen im hörbaren oder Ultraschall-Frequenzbereich.

Bei bekannten Resonatoren dieser Art ist der piezoelektrische keramische Wandler auf der Mitte einer kreisförmigen dünnen Metallmembran befestigt, die an ihrem Umfang aufgehängt ist. Die Abmessungen des Wandlers und der Membran, zusammen mit der Steifheit der Membran, sind derart gewählt, dass das Ganze eine in oder über dem gewünschten Frequenzbereich liegende Eigenresonanzfrequenz aufweist und in dem Biegungsmodus schwingt.

309837/0457

-2- PHB. 32239.

Ein bekannter Resonator enthalt eine Aluminiummembran, die am Umfang an eines Zinkgehäuse befestigt ist. Ein derartiger Resonator bringt hohe Herstellungskosten mit sich und ist daher für viele Anwendungen nicht geeignet.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, einen Resonator einer sehr einfachen und preiswerten Bauart zu schaffen, der sich für einen grossen Anwendungsbereich eignet.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator weiter ein Resonanzelement enthalt, das aus einer Platte aus elektrisch isolierendes Material besteht, die mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen ist, auf der der piezoelektrische Wandler mit einer der Elektroden befestigt ist, so dass die Resonanzfrequenz(en) des Resonators durch die Kombination des Wandlers und des Resonanzelements bestimmt wird (werden).

Torzugsweise besteht das Resonanzelement aus wenigstens einem Teil einer Platte mit gedruckter Verdrahtung. Dies hat einerseits den Vorteil, dass durch die Anwendung dieses Standardmaterials die Kosten niedrig sind, während sich andererseits der Vorteil ergibt, dass bei Anwendung einer solchen Platte diese auch für den üblichen Zweck, d.h. zum Montieren und Miteinanderverbinden der verschiedenen Teile der zu dem Resonator gehörigen Schaltung, benutzt werden kann, wodurch die Kosten noch weiter herabgesetzt werden können.

Einige Ausfuhrungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen«

Fig. 1 ein» erste und

309837/0457

-3- PHB. 32239.

Fig. 2 eine zweite Ausführungsforra des Resonators nach der Erfindung,

Fig. 3 eine Ausführungsform mit einer Platte mit gedruckter Verdrahtung,

Figuren 4a und 4b Chladni-Figuren zweier Schwingungsmodi eines langgestreckten ResonatorteiIes,

Fig. 5a einen geeeigneten Multivibrator zur Steuerung des Resonators,

Fig. 5b einen geeigneten Multivibrator, der abwechselnd mit den Multivibrator nach Fig. 5a zwischen zwei Frequenzen geschaltet werden kann, und

Fig. 6 eine Printplattenanordnung, bei der die Schaltung nach Fig. 5a auf dea Resonanzeleaent angebracht ist.

In Fig. 1, die der Deutlichkeit halber nicht masstäblich gezeichnet ist, enthalt ein Resonator nach der Erfindung eine Scheibe 1 aus eines keramischen piezoelektrischen Material, auf deren Hauptflächen sich die Elektroden 2 und 3 befinden, sowie ein Resonanzeleeent 4, das aus einer Scheibe aus elektrisch isolierendes Material besteht, auf deren unterer Flache eine dünne Kupferschicht angebracht ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Kupferschicht z.B. durch eine Aetzbearbeitung in zwei diskrete Flachen 5a und 5b geteilt. Die Scheibe 1 ist über die ganze Oberfläche einer ihrer Hauptflachen z.B. dadurch fest mit der Platte verbunden, dass die Elektrode 2 an der Kupferschicht 5a mittels eines Lots mit niedriges Schmelzpunkt festgelotet wird. Andere Befestigungsverfahren können selbstverständlich auch verwendet werden, vorausgesetzt, dass die leitende Schicht 5a mit der Elektrode 2 in elektrischer

309837/0457

-4- PHB. 32239·

Verbindung steht. Eines dieser anderen Verfahren besteht darin, dass ein Klebemittel, wie Epoxydharz oder Cyanoacrylat auf der Elektrode 2 angebracht und dann die Scheibe mit einer reibenden Bewegung auf die Kupferschicht gedrückt wird, bis die Elektrodenfläche an der Kupferschicht haftet. Es hat sich herausgestellt, dass dadurch eine gute mechanische Verbindung und ein guter elektrischer Kontakt zwischen der Elektrode und der Kupferschicht erhalten werden.

Die Stützdrähte 6 und 7 sind an den Flächen 5a bzw. 5b der Kupferschicht festgelötet und ein Anschlussdraht 8 ist einerseits an der Elektrode 3 und andererseits an dem Draht 7 festgelötet. Auf diese Weise dienen die Drähte 6 und 7 sowohl zur Abstützung des Resonators wie als elektrische Verbindungsleitung mit den Elektroden 2 und

Dadurch, dass über der piezoelektrischen Scheibe 1 über die Drähte 6 und 7 eine Wechselspannung angelegt wird, wird die Scheibe in einem "3,1"-Schwingungsmodus schwingen, während infolge der festen Verbindung der Scheibe 1 mit der Resonanzplatte 4 die auf diese Weise gebildete zusammengesetzte Struktur in einem Biegungsmodus schwingen wird. Umgekehrt wird eine Schallwelle, die auf die Platte aufprallt, die Platte und auch die Scheibe in Schwingung versetzen, so dass über den Elektroden eine proportionale Spannung auftritt.

Eb ist einleuchtend, dass viele Abwandlungen in bezu^

auf Montage und elektrischen Anschluss an die Elektroden möglich sind. So kann sich z.B. die Kupferschicht über die ganze Oberfläche der Platte erstrecken, während der Anschlussdraht 8 von dem Htützdraht 7 getrennt sein kann. Auch kann sich die Kupferschicht bis ,ienseits der Elektrode 2 über einen derartigen Abstand erstrecken, dass mit dieser

3098J7/CUÜ

ι; ι

-5- PHB. 32239·

Elektrode mittels eines Anschlussdrahi'e* -«ine elektrische Verbindung hergestellt werden kann. In diesem Falle wird keiner der Stützdrähte 6 und 7 einen Teil des elektrischen Anschlusses bilden. Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform, bei der der Draht 8 entfallen kann und eine mit besonderen Elektroden versehene keramische Scheibe« wie eine sogenannte "Rückkopplungsscheibe" (feedback disc) verwendet wird. Eine derartige Scheibe weist eine Elektrode auf, die eine Uauptflache, bis auf ein kleines Segment, nahezu völlig bedeckt; die zweite Hauptfläche wird völlig von einer zweiten Elektrode bedeckt, die sich rings um einen Teil der zylindrischen Fläche fortsetzt, wo er sich einer kleinen Elektrode auf der ersten Hauptfläche anschliesst. Auf diese Weise kann die elektrische Verbindung mit den beiden Elektroden auf derselben Fläche der Scheibe hergestellt werden. Wenn auf der Platte 4 ein Elektrodenmuster angebracht ist, das dem geteilten Elektrodenmuster auf der ersten Hauptfläche der Rückkopplungsscheibe entspricht, ist ein direkter Anschluss an die beiden Elektroden der Scheibe über die Printplatte 4 möglich.

Die Abmessungen, die Form, die Masse und die Steifheit der Platte 4 sind in Verbindung mit der mechanischen Belastung der Scheibe derart gewählt, dass die mechanische Resonanzfrequenz oder die Frequenz des Wandlers in dem gewünschten Bereich liegt.

Auch ist es nicht notwendig, dass die Scheibe in der Mitte der Platte angeordnet ist oder dass sich die Stützdrähte in der bekannten Lage befinden. Im Gegensatz zu dem bekannten Resonatortyp mit einer festen Membran wirkt die Platte nach der Erfindung als eine Resonanzplatte, weil der grösste Teil ihres Umfange frei ist und in jedem durch die Anordnung der Abstützung(en) für die Platte und

309837/0457

-6- PHB. 32239.

durch die Lage der Scheibe 1 bestimmten Chladni-Modus schwingen kann.

Bekanntlich wird durch Chladni-Figuren das Muster von Knotenpunkten (Mindestschwingung) der Platte im schwingenden Zustand angegeben. Der Schwingungemodus wird nicht beeinflusst, wenn Belastungen mit einer geringen Hasse längs der Knotenlinien zugesetzt werden. Dies ergibt den besonderen Vorteil, dass die Schaltungsteile an den Kreuzpunkten der Knotenlinien oder längs Knotenlinien montiert werden können, ohne dass dabei der Eigenresonanzmodus des Wandlers in erheblichem Masse beeinflusst wird; diese Teile sind dabei mittels einer gedruckten Verdrahtung, die in die Kupferschicht geätzt ist, miteinander verbunden. Dies führt zu einer weiteren Herabsetzung üer Kosten und einer Verkleinerung des vollständigen Resonatorkreises einschliesslich der benötigten Steuer- oder Detektionsschaltungen.

Auch kann die die Schaltungsteile enthaltende Printplatte mit der Resonanzplatte ein Ganzes bilden. Ein Beispiel einer derartigen Kombination ist in Fig. 3 dargestellt, die eine Resonanzplatte 4 zeigt, die mit einer Printplatte 11 ein Ganzes bildet, wobei die beiden Teile mittels zweier schmaler Brücken 12 und 13 miteinander verbunden sind. Der Teil 11, der die Schaltungsteile trägt, kann eine Fläche 14 besitzen, auf der Randanschlusskontakte angebracht sind, so dass über ein Verbindungsglied alle gewünschten Anschlüsse erzielt werden können. Zwei Befestigungslöcher 13 und 16 sind vorgesehen, um die Platte gegebenenfalls fest mit einem Sockel oder Gehäuse verbinden zu können.

Die beiden elektrischen Anschlüsse zu den Elektroden der Scheibe 1 werden der Einfachheit halber durch gedruckte Verdrahtungsbahnen gebildet, die über eine oder die beiden Brücken 12, 13

309837/0457

-7- PHB. 32239.

sich der gedruckten Verdrahtung auf dem Teil 11 anschliesaen.

Es -versteht sich, dass viele andere Stellen für die Brücken gewählt werden können und dass die Anzahl Brücken variieren kann. So kann z.B. eine einzige Brücke verwendet werden; diese könnte dann wahrscheinlich am besten auf der Mittellinie der beiden Platten angeordnet sein. Die Brücke(n) kann (können) sich an den Knotenpunkten am Umfang der Platte 4 befinden, wodurch praktisch keine Schwingungen von der Platte 4 auf die Platte 11 übertragen werden und der Chladni-Schwingungsmodus der freien Platte nicht beeinflusst wird. Auch kann durch die Lage von Brücken der Schwingungsmodus bestimmt werden, so dass die Platte in einem von dem einer freien Platte verschiedenen Chladni-Modus schwingen wird, damit die gewünschte Frequenzkennlinie erhalten wird.

Der Wandler nach der Erfindung eignet sich z.B. besonders gut zur Anwendung als preiswerter Tongenerator für hörbare Alarm- oder Signalisierungsvorrichtungen. Auf der Platte 4 oder auf der Printplatte 11 befindet sich eine gedruckte transistorisierte Multivibratorschaltung, wobei die piezoelektrische Scheibe direkt zwischen den Kollektoren der beiden kreuzweise gekoppelten den Multivibrator bildenden Transistoren eingeschaltet ist.

Es hat sich herausgestellt, dass eine besonders geeignete Reeonanzplatte mit Hilfe der Standard-1 mm-Glasfaserprintplatte erhalten werden kann.

Eine oft an diese Art Resonatoren gestellte Anforderung ist die, dass sie zwei hörbare Töne liefern können, die einen derartigen Frequenzunterschied aufweisen, dass sie sich leicht voneinander unterscheiden lassen. Diese Töne können zur Angabe verschiedener

3 0 9 8 '3 7 / 0 A G 7

2 3 1 η 5 8 2

-θ- PHB. 32239-

Informationen verwendet werden, abhängig von dem Ton, der ausgesandt wird; auch können sie abwechselnd verwendet werden - z.B. auf gleiche Weise wie bei der bekannten von der Polizei, dem Ambulanzdienst, usw. benutzten Sirene -, um ein kennzeichnendes Warnsignal zu liefern. Bisher enthalten solche Vorrichtungen entweder zwei gesonderte Schwingungsmembranen, wie in zweitönigen Hupen, oder einen von einem schaltbaren Frequenzoszillator gesteuerten Lautsprecher, oder zwei piezoelektrische Resonatoren.

Da der Resonator nach der vorliegenden Erfindung ein Resonanzelement in Form einer Platte aufweist, die an ihren Rändern schwingen kann, kann er in mehr als einem Chladni-Modus schwingen, d.h., dass die Platte mit zwei oder mehreren verschiedenen Frequenzen schwingen kann. Eine langgestreckte Platte wird z.B. bei zwei Frequenzen stark schwingen, welche Frequenzen im wesentlichen durch die Länge der beiden Hauptachsen bestimmt werden.

Dies wird an Hand der Figuren 4a und 4b veranschaulicht, die Chladni-Figuren für eine langgestreckte Platte zeigen, die in der Mitte jeder der beiden kurzen Seiten abgestützt wird und mit zwei verschiedenen Frequenzen schwingt. Die verschiedenen Schwingungsmodi für jede Frequenzen sind aus den Diagrammen deutlich ersichtlich.

Der zum Erhalten dieser Chladni-Figuren verwendete

Wandler enthielt eine Standard-1 mm-Glasfaserprintplatte mit einer Länge von 69 mm und einer Breite von 40 ram und eine piezoelektrische keramische Scheibe mit einem Durchmesser von 16 mm und einer Dicke von 0,2 mm. Das für die Scheibe verwendete Material war Mullard PXE ^. Der auf diese Weise gebildete Wandler wies zwei starke Resonanzen bei 2,3 kHz und 3»9 kHz auf und ist also besonders gut als zwei-

3 0 9 8 3 7 / (K !3 "

-9- PHB. 32239·

töniger Generator geeignet (oder als Detektor, wenn ein selektives Frequenzfilter für jede Frequenz angebracht ist). Jede der beiden Frequenzen kann dadurch erzeugt werden, dass ein Multivibrator etwa auf die gewünschte Frequenz abgestimmt wird, wonach durch positive Rückkopplung von der piezoelektrischen Scheibe her die Frequenz von der Resonanzkennlinie des Resonators abhangig wird.

Die Multivibratorfrequenz kann dadurch verschoben werden, dass auf bekannte Weise der Wert eines einzigen Widerstandes geändert wird. Zum Erhalten einer sich wechselnden Verschiebung zwischen den beiden Frequenzen kann ein zweiter Multivibrator - der mit der gewünschten Wechselfrequenz wirkt - dazu verwendet werden, den Verzögerungswiderstand abwechselnd zwischen den beiden gewünschten Werten zu variieren. In Fig. 5a ist ein Schaltbild eines geeigneten Multivibrators zur Steuerung der Scheibe dargestellt, während Fig. 5b einen geeigneten Frequenzverschiebungsmultivibrator zeigt. Die piezoelektrische Scheibe ist in Fig. 5a mit PXE bezeichnet und alle Transistoren sind vom Typ Mullard BC108. Die Wirkungsweise derartiger Multivibratorschaltungen ist bekannt und braucht in diesem Falle nicht näher erläutert zu werden, mit Ausnahme der Tatsache, dass der Nutzwert des Widerstandes R₁ in Fig. 5a abwechselnd zwischen zwei Grenzen dadurch verschoben wird, dass dieser Widerstand von den Widerständen R₁. und R₆ in Fig. 5b überbrückt wird, in Abhängigkeit von der Lage des Multivibrators nach Fig. 5b.

Aus Fig. 4b ist ersichtlich, dass an den Knotenpunkten, die den Figuren 4a und 4b gemeinsam sind, Kreuzchen gezeichnet sind. An diesen Punkten angebrachte Belastungen mit einer geringen Masse werden daher keine der Resonanzfrequenzen wesentlich beeinflussen.

30 9837/0457'

-10- PHB. 32239·

Die Resonanzplatte 4 kann daher als Printplatte dienen, wenn die Schaltungsteile an diesen gemeinsamen Knotenpunkten montiert werden. Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer Printplattenanordnung for die Schaltung nach Fig. 5a» die L8tflachen für die Basis, den Kollektor und den Emitter jedes der Transistoren T. und T_ sind mit b, c bzw. e bezeichnet. Die einzige benötigte zusätzliche Verdrahtung ist eine leitung 20 ton der Elektrode 3 der piezoelektrischen Scheibe zu dem Knotenpunkt von C und R„ und die Anwendung der Leitung 20 kann dadurch vermieden werden, dass auf die in Fig. 2 dargestellte Weise eine Rückkopplungsscheibe angebracht wird.

Im allgemeinen lässt sich sagen, dass, wenn ein Resonator zwei Resonanzfrequenzen aufweisen muss, die weniger als eine Oktave voneinander entfernt sind, sich dies vorzugsweise dadurch erzielen lässt, dass eine Platte 4 mit einer im wesentlichen eine der gewünschten Frequenzen bestimmenden Abmessung und einer orthogonalen im wesentlichen die zweite Frequenz bestimmenden Abmessung entworfen wird. Selbstverständlich ist es nicht unbedingt notwendig, dass die Platte 4 genau langgestreckt ist. Die Abrundung der Ecken würde z.B. nur wenig Auswirkung haben.

Bekanntlich kann eine Resonanzplatte viele verschiedene Schwingungsmodi aufweisen und daher können bei der an Hand der Figuren 4a und 4b beschriebenen Platte andere Resonanzen mit niedrigeren oder höheren Frequenzen als die genannten Frequenzen gewählt werden. Diese Frequenzen können dadurch gewählt werden, dass der Multivibrator auf richtige Weise beim Erzeugen einer Schallwelle abgestimmt wird und auf richtige Weise abzustimmende Filter beim Empfang von Schallwellen angebracht werden.

309837/0457

-11- PHB. 32239·

Auch kann ein Resonator erhalten werden, der mehr als zwei starke Resonanzfrequenzen aufweist, indem die Resonanzplatte in zwei oder mehrere Teile aufgespaltet wird, die von einer gemeinsamen piezoelektrischen Scheibe, z.B. mittels auf richtige Weise angebrachter Schlitze, derart gesteuert werden, dass sich jeder Teil wie eine Resonanzplatte mit von denen des (der) anderen Teiles (Teile) verschiedenen Resonanzfrequenzen verhält.

Dadurch, dass die zwei oder mehr Resonanzfrequenzen

annähernd gleich gewählt werden, kann leicht ein Resonator entworfen werden, der eine Banddurchlasskennlinie über einen vorbestimmten Frequenzbereich aufweist.

Obgleich die Ausführungsformen in bezug auf Hörfrequenzen beschrieben sind, können dieselben Grundsätze bei einem Wandler für Ultraschallfrequenzen angewandt werden.

30983 7/(HG 7

Claims

-12- PHB. 32239. PATENTANSPRÜCHE :

1.) Resonator, der einen piezoelektrischen Wandler enthält,

der aus einer Scheibe aus piezoelektrischem Material besteht, wobei auf zwei parallelen Flachen dieser Scheibe Elektroden angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator weiter ein Resonanzelement enthält, das aus einer Platte aus elektrisch isolierendem Material besteht, die mit einer elektrisch leitenden Schicht versehen ist, auf der der piezoelektrische Wandler mit einer der Elektroden befestigt ist, so dass die Resonanzfrequenz(en) des Resonators durch die Kombination des Wandlers und des Resonanzelements bestimmt wird (werden).

2. Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonanzelement derart bemessen ist, dass zwei voneinander ver schiedene Resonanzfrequenzen erhalten werden.

3. Resonator nach einem der vorstehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass an zwei einander gegenüber liegenden Punkten am Umfang der Platte aus Isoliermaterial Abstützungsteile angebracht sind.

4. Resonator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Resonanzelement durch wenigstens einen Teil einer Printplatte gebildet wird, auf dem ausser dem Wandler auch andere Schaltungselemente montiert sind.

5. Resonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Printplatte derartige Schaltungselemente montiert sind, dass zusammen mit dem Wandler durch das Anbringen geeigneter elektrischer Verbindungen ein Oszillator erhalten wird, dessen Schwingungsfrequeni durch die Resonanzfrequenz des Resonators bestimmt wird.

3 0 9 8 3 7 / 0 U L· 7

-13- PHB. 52239·

6. Resonator nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungselemente an Stellen der Printplatte montiert sind, die an Knotenpunkten oder längs Knotenlinien eines möglichen Schwingungsmodus der Platte liegen.

7. Resonator nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Resonator mehrere Resonanzfrequenzen aufweist, die genügend nahe beieinander liegen, um eine Banddurchlasskennlinie zu erhalten.

309837/0457

Leerseite