DE2447219A1 - Piezoelektrisches uebertragungselement - Google Patents

Description

PHILIPS PATEKTVERViALTUNG GMBH, 2 Hamburg 1, Steindamm 94 Piezoelektrisches Übertragungselement

Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Übertragungselement, bestehend aus einem vorpolarisierbaren keramischen Werkstoff in Form einer dünnen Scheibe oder eines flachen Plättchens, wie näher im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschrieben.

Derartige piezoelektrische Übertragungselemente sind aus zahlreichen Druckschriften bekannt, so z.B. aus der DT-AS 1 616 505, US-PS 3 535 686 und 3 448 437.

Die dort gezeigten keramischen Körper, meist in Form einer dünnen Scheibe, d.h. also mit im Verhältnis großen radialen

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Ausdehnungen und dagegen sehr kleinen axialen Ausdehnungen, sind z.B. aus Bariumtitanat oder Bleititanzirkonat hergestellt und damit vorpolarisierbar und ausnutzbar für radiale oder Umfangsdehnungsschwingungen. Beim einfachsten Aufbau wird der radiale Schwingungsmodus einer dünnen. Scheibe verwendet. Das Übertragungselement weist einen scharf begrenzten Frequenzdurchlaßbereich, einen hohen Spannungsgewinn und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis auf. Es ist üblich, die Elektroden, wie in den Figuren oben genannter Druckschriften gezeigt, auf die Stirnseite der keramischen Scheiben aufzulegen bzw. aufzudampfen usw., d.h. die Dicke des keramischen Körpers ist in radialer Richtung überall die gleiche. Bei der überwiegenden Anzahl der bekannten Anordnungen ist konzentrisch zum Scheibenrand die Anregungs- oder auch Oszillatorelektrode angeordnet, und um diese herum befinden sich in einem gewissen Abstand von der Oszillatorelektrode und voneinander die einzelnen Elektroden zum Zuführen der Polarisations- oder Depolarisationsgleichspannung, nachfolgend auch Einschreibspannung genannt. Eine oder mehrere dieser Elektroden können für den Oszillatorkreis als sogenannte Rückkopplungselektroden herangezogen werden, wie im Prinzip in der DT-AS 2 003 396 gezeigt.

Oben genannte Elektroden können sich in gleicher Ausdehnung auf beiden Seiten des keramischen Körpers, also auf den beiden Stirnflächen, befinden. Es ist aber auch üblich und vor allen Dingen preiswerter, die einzelnen voneinander getrennten Elektroden nur auf der einen Stirnfläche vorzusehen, während auf der anderen Stirnfläche eine gemeinsame Gegenelektrode angeordnet ist, die normalerweise mit dem gemeinsamen Bezugspunkt, z.B. Masse, verbunden ist.

Bei Anlegen einer Oszillatorwechselspannung an die Oszillatorelektrode kann bei entsprechender Polarisation der Teile des keramischen Körpers unterhalb der einzelnen Elektroden an diesem in bekannter Weise eine Ausgangswechselspannung abgenommen

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werden, die nachfolgend auch als Auslesespannung bezeichnet wird und deren Größe von den geometrischen Abmessungen und den relevanten Materialkenngrößen der Scheibe, von der Amplitude der Oszillatorspannung und von der Größe der zuletzt an die betreffende Elektrode angelegten Einschreibspannung abhängt. Die gezeigten Anordnungen weisen außerdem unter den bekannten keramischen Resonanzkörpern die geringste Temperaturabhängigkeit der Übertragungskennwerte auf.

Die Erfindung geht von diesem Stand der Technik aus. Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein piezoelektrisches übertragungselement derart zu verbessern, daß geringere Einschreibspannungen verwendet werden können. An sich ist es auch bekannt, daß die Größe bzw. die Amplitude der Gleichspannung für die Polarisation als auch für die Depolarisation umso höher sein muß, je dicker ein derartiges piezoelektrisches Übertragungselement in der Polarisations- bzw. Depolarisationsrichtung ist, d.h. also, eine dickere Scheibe erfordert eine größere Amplitude der Einschreibspannung und eine dünnere Scheibe eine kleinere Amplitude der Einschreibspannung. Ohne weiteres Zutun wäre also die Aufgabe dadurch zu lösen, daß die Scheiben zur Verwendung mit kleineren Amplituden der Einschreibspannungen dünner zu machen sind. Damit werden aber diese dünnen Scheiben oder flachen Platten bzw. Plättchen unhandlich, denn da sie aus keramischem Werkstoff bestehen, ist die Bruchgefahr sehr groß. Bei Anwendung des Erfindungsgedankens wird die Bruchgefahr jedoch nicht erhöht.

Bei einem piezoelektrischen übertragungselement der eingangs genannten Art werden nämlich nach der Erfindung Maßnahmen ergriffen, wie im Kennzeichen des Patentanspruches 1 näher beschrieben. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können Maßnahmen ergriffen werden, wie in den Kennzeichen der Unteransprüche näher beschrieben.

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Der Vorteil der Erfindung besteht also darin, daß die schon sehr dünnen piezoelektrischen Übertragungselemente nicht noch weiter geschwächt werden und praktisch die Bruchgefahr bzw. die Absplitterungsgefahr an den Kanten die gleiche wie bei den bisher bekannten Elementen bleibt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 ein piezoelektrisches übertragungselement nach der Erfindung in Form einer dünnen Scheibe mit einer gemeinsamen Gegenelektrode,

Fig. 2 ein piezoelektrisches übertragungselement nach der Erfindung in Form einer dünnen Scheibe mit getrennten Gegenelektroden.

Nachfolgend werden die Fig. 1 und 2 zusammenfassend beschrieben.

In den Fig. 1 und 2 ist mit 1 das piezoelektrische Übertragungselement, bestehend aus einer dünnen Scheibe, bezeichnet. Diese Scheibe hat z.B. die Dicke D von etwa 150 /um, die sich also, wie aus den Figuren erkennbar, nur auf die Dicke des keramischen Werkstoffes bezieht. Die Scheibe weist einen Radius R1 von etwa 6 mm auf, d.h. der Durchmesser der Scheibe beträgt etwa 12 mm. Konzentrisch ist auf der einen Stirnfläche, in der Zeichnung auf der oberen Stirnfläche, die Anregungs- oder Oszillatorelektrode 2 angeordnet und auf der gegenüberliegenden Stirnfläche, also in den Zeichnungen unten in Fig. 1 die gemeinsame Gegenelektrode 3 und in der Fig. 2 die einzelnen Gegenelektroden 4. Die Gegenelektroden 3 und 4 sind jeweils mit dem gemeinsamen Bezugspunkt, z.B. Masse, verbunden. Die Anregungselektrode 2 weist einen Radius r2 von etwa 2 mm auf.

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An ihr ist elektrisch die Oszillatorspannung bei E angeschlossen.

In einem Radius R2 von etwa 4 mm sind um die Anregungselektrode 2 herum in den gezeigten Ausführungsbeispielen kreisrunde Elektroden 5 angeordnet, und zwar nicht wie bekannt auf die Stirnfläche des piezoelektrischen Elementes 1 aufgebracht, sondern eingelegt. Dazu ist das piezoelektrische Übertragungselement im Bereich der Elektroden 5 ausgenommen, z.B. durch Ätzen, so daß an diesen Stellen die Dicke der Scheibe - in den Zeichnungen mit d1 bezeichnet - kleiner als die Dicke D ist. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Dicke d1 etwa 60-100 /um und in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 nur noch 30-50 /um. Es ist möglich, auch bei Verwendung einer gemeinsamen Gegenelektrode 3» wie in Fig. 1 gezeigt, auch dort die Dicke d1 auf den gleichen Wert zu bringen, wie in dem Beispiel zu Fig. 2 gezeigt.

Die Radien der eingelegten Elektroden 5, und zwar jeweils, wie aus der Zeichnung hervorgeht, die inneren Radien r1 betragen etwa 1 mm und die auf die Stirnfläche aufgelegten Anschlußstücke weisen eine Breite von etwa 1,6 mm auf. Mit den einzelnen Elektroden 5" sind dann die entsprechenden elektrischen Anschlüsse verbunden, und zwar bezeichnen S1 bis S4 die Anschlüsse für die Gleichspannungen zur Polarisation bzw. Depolarisation, also die Anschlüsse für die Einschreibspannungen, und R1 bis R4 die Anschlüsse für die Ausgangswechselspannungen, also die Auslesespannungen.

Die Stärke d2 der Elektrodenbeläge kann etwa 1600 £ betragen. Der Anschluß F ist z.B. ein Rückkopplungsanschluß, wie oben bereits in der Einleitungsbeschreibung näher beschrieben.

Das genannte Beispiel zeigt.ein piezoelektrisches Übertragungs-

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element, das eine Resonanzfrequenz von 200"kHz aufweist. Bei einer Scheibe ohne eingelegte Elektroden mit sonst gleichen Abmessungen mußte für eine bestimmte Ausgangswechselspannungsänderung eine Polarisationsgleichspannung bzw. Depolarisationsgleichspannung in der Größenordnung von etwa 150 V aufgebracht werden. Die Herabsetzung der Dicke der Scheibe brachte den erwarteten Effekt, d.h., es waren als entsprechende Gleichspannungen nur noch etwa 50 V bei einer Dicke von 50 /um und 30 V bei einer Dicke von 30 /tun erforderlich.

Der verwendete Werkstoff hatte die Zusammensetzung (Pb_Q Q^La_{0 o}g) (Ti₀ 35Zr₀ 55)0,, und die Elektroden bestehen aus zwei aufgedampften Schichten, nämlich aus einer 100 Ä dicken Haftschicht aus Chromnickel und einer darüber angeordneten Goldschicht mit einer Dicke von 1500 A*.

Da die Anregungselektroden nur zur Anregung der elektrischen Schwingungen benötigt v/erden und hier keine Polarisationsoder auch Depolarisationsgleichspannung während des Betriebes angelegt wird, ist ein Einlegen dieser Elektrode bzw. ein Herunterätzen des keramischen Werkstoffes zwecks Verminderung der Scheibendicke an dieser Stelle nicht erforderlich. Die Erfindung kann auch bei anderen keramischen Werkstoffen angewendet werden. Sie ist in ihrem Einsatz nicht abhängig von der Art der Schwingung, mit der das piezoelektrische Übertragungselement betrieben wird. Da die Durchmesser der Ausnehmungen für die Elektroden 5 sehr klein gegen die akustische Wellenlänge sind, ist beim gezeigten Ausführungsbeispiel ihr Einfluß auf das Schwingungsverhalten praktisch vernachlässigbar und ihr Abstand vom Mittelpunkt der Scheibe aus dem gleichen Grunde unkritisch.

Derartige piezoelektrische Übertragungselemente können in der

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Bedienungseinrichtung eines Fernsehgerätes Verwendung finden, und zwar zur. Speicherung und Übertragung der sogenannten Bedienungsfunktionen, wie Lautstärke, Helligkeit, Kontrast usw.

Patentansprüche:

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Claims (3)

Patentansprüche:

1.) Piezoelektrisches Übertragungselement, bestehend aus leinem vorpolarisierbaren keramischen Werkstoff in Form einer dünnen Scheibe oder eines flachen Plättchens, dessen Stirnflächen mit Elektroden zum Zuführen der Einschreibspannung(en) als auch der Anregungsspannung und zur Abnahme der Auslesespannung(en) belegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden für die Einschreib- und Auslesespannung(en) eingelegt sind.

2. Piezoelektrisches Übertragungselement, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Gegenelektroden eingelegt sind.

3. Piezoelektrisches Übertragungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form einer dünnen Scheibe aufweist, die aus vorpolarisierbarem keramischen isotropen Werkstoff, nämlich in der Zusammensetzung (Pb_o<giLa_o#o6) (Ti_o.35^ZrO.65^°3' ^{besteht 1}^ ^{für eine} radiale Schv/ingungsform bemessen ist.

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