DE2310582A1 - Piezoelektrischer wandler - Google Patents
Piezoelektrischer wandlerInfo
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Description
PHB. 32259. Iiifl.-ΓΒΓ. F-T. 7CUPFESiLiNN Beck/Va/RV.
AnirsJd-r: N.Y. Philips' Glceücmpenfabrfeken
ALieNe. PHB-32.239
ALieNe. PHB-32.239
Anmeldung vom: 1. März 1973
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.
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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«
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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
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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
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ι; ι
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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
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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
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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
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2 3 1 η 5 8 2
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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-
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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.
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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.
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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.
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Claims (7)
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.
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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.
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