Patentanwälte Dipl.-Ing. H.¥eickmann, Dipl.-Phys. Dr. Jfc
Dipl.-Ing. R A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber
Dr.-Ing. H. Liska ; .
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Indianapolis, Indiana, V.St.A.
Piezoelektrischer Wandler
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Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Wandler mit einem an ein Substrat gekoppelten piezoelektrischen
Element.
Piezoelektrische Wandler der vorstehend genannten Art nach den Figuren 1 und 2 sind in Tonalarmvorrichtungen verwendet
worden, wie dies beispielsweise in der üS-PS 3 815 129 beschrieben ist. Die Wandler werden dabei mit einer Tonfrequenz
von etwa 3,0 Kilohertz betrieben, welche die Grund-Resonanzfrequenz des Wandlers darstellt. Generell wird ein
bekannter Wandler der in Rede stehenden Art durch ein piezoelektrisches keramisches Element, das mechanisch und elektrisch
an ein Substrat gekoppelt ist, sowie durch wenigstens zwei am piezoelektrischen keramischen Element vorgesehene
Elektroden gebildet. Um ein Tonsignal mit einer Frequenz von etwa 3,0 Kilohertz, welche die Grund-Resonanzfrequenz des
Wandlers darstellt, zu erzeugen, muß der Wandler bestimmte vorgegebene Abmessungen, das sind der Substratdurchmesser,
die Substratdicke sowie der Durchmesser und die Dicke des piezoelektrischen keramischen Elementes besitzen. Bezogen
auf diese vorgegebenen Abmessungen besitzt der Wandler zusätzlich zu einer Grund-Resonanzfrequenz einen Grund-Knotenpunktdurchmesser.
Typischerweise sind derartige Wandler an wenigstens einem Punkt auf einem Kreis montiert, dessen
Durchmesser im wesentlichen gleich dem Grund-Knotenpunktdurchmesser ist.
Es kann wünschenswert sein, die Grund-Resonanzfrequenz eines konventionellen piezoelektrischen Wandlers der vorbeschriebenen
Art unter Aufrechterhaltung desselben Grund-Knotenpunktdurchmessers
und desselben Substratdurchmessers zu re-
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duzieren, so daß eine Tonalarmvorrichtung mit einer tieferen Tonfrequenz im gleichen Gehäuse wie eine Tonalarmvorrichtung
mit einer höheren Frequenz von 3,0 Kilohertz realisiert werden kann. Typische Möglichkeiten zur Reduzierung
der Grund-Resonanzfrequenz einer freien kreisförmigen Scheibe sind in an sich bekannter Weise eine
Erhöhung des Durchmessers der Scheibe, eine Änderung der Materialzusammensetzung der Scheibe oder eine Reduzierung
der Dicke der Scheibe. Eine Erhöhung des Substratdurchmessers des oben erläuterten Wandlers führt jedoch zu einer
entsprechenden Erhöhung des Grund-Knotendurchmessers des Wandlers, wobei Materialien, welche für einen konventionellen
Wandler mit 3,0 Kilohertz zweckmäßig sind, jedoch nicht die gleichen wesentlichen Vorteile bieten. Die weiteren
Möglichkeiten einer Reduzierung der Dicken des piezoelektrischen keramischen Elementes und/oder des Substrates
erweisen sich nicht als praktisch, da eine ökonomische Herstellung eines piezoelektrischen keramischen Elementes
mit einer Dicke, welche wesentlich kleiner als eine vorgegebene Dicke ist, nur begrenzt möglich ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde,
eine Möglichkeit zur Reduzierung der Grund-Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Wandlers unter Aufrechterhaltung
des Grund-Knotendürchmessers und eines vorgegebenen
Substratdurchmessers bzw. Gesamtdurchmessers des Wandlers anzugeben.
Insbesondere soll es dabei möglich sein, die Grund-Resonanzfrequenz
von etwa 3,0 Kilohertz eines konventionellen piezoelektrischen Wandlers auf eine Resonanzfrequenz von
etwa 2,0 Kilohertz unter Aufrechterhaltung des Grund-Knotendurchmessers und des vorgegebenen Substratdurch-
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Dabei soll weiterhin auch die Impedanz des Wandlers im wesentlichen nicht erhöht werden.
Schließlich soll mit einem solchen Wandler eine hochfrequente Tonalarmvorrichtung geschaffen werden können,
in der die Frequenz des Tonsignals ohne Änderung des Gehäuseaufbaus der Vorrichtung möglich ist.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird bei einem piezoelektrischen Wandler der eingangs genannten Art erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß das Substrat zur Reduzierung der Wandler-Resonanzfrequenz segmentiert ist.
Damit wird es möglich, die Resonanzfrequenz eines konventionellen
piezoelektrischen Wandlers unter Aufrechterhaltung des Grund-Knotendurchmessers und eines vorgegebenen
Substratdurchmessers bzw. Gesamtdurchmessers des Wandlers zu reduzieren.
Die Segmentierung zur Reduzierung der Wandler-Resonanzfrequenz erfolgt dabei insbesondere durch radiales Schlitzen
des Substrates.
Weitere Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind in
Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine Draufsicht eines konventionellen piezoelektrischen Wandlers mit drei Elektroden;
Fig. 2 einen Querschnitt des konventionellen piezoelektrischen Wandlers in einer Ebene 2-2 in Fig. 1;
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Fig. 3 eine Draufsicht eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Wandlers; und
Fig. 4 einen Querschnitt des erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Wandlers in einer Ebene 4-4 in Fig. 3.
Die Figuren 1 und 2 zeigen einen typischen piezoelektrischen
Wandler 10. Dieser piezoelektrische Wandler 10 umfasst
ein kreisförmiges piezoelektrisches keramisches Element 14 mit einem vorgegebenen Durchmesser C und einer
vorgegebenen Dicke T!/ das mechanisch und elektrisch an
ein kreisförmiges Substrat 12 aus Messing mit einem vorgegebenen Durchmesser T und einer vorgegebenen Dicke
TL1 gekoppelt ist. Weiterhin umfasst dieser piezoelektrische
Wandler eine Elektrode 16, eine Elektrode 18 sowie eine nicht dargestellte Elektrode, welche zwischen dem Substrat
12 und dem piezoelektrischen keramischen Element 14 liegt. Die Elektroden 16 und 18 sowie die nicht dargestellte
Elektrode werden durch eine dünne Schicht bzw. einen dünnen überzug aus elektrisch leitendem Material, wie beispielsweise Silber gebildet. Die Ausgestaltung des piezoelektrischen
Wandlers 10 gemäß den Fig. 1 und 2 mit drei Elektroden,, nämlich den Elektroden 16 und 18 sowie der
nicht dargestellten Elektrode stellt lediglich eine mögliche Ausführungsform dar, auf welche die Anwendung der
erfindungsgemäßen Maßnahmen nicht beschränkt ist.
Typischerweise wird der konventionelle piezoelektrische
Wandler 10 gemäß den Fig. 1 und 2 so betrieben, daß er
eine Tonfrequenz erzeugt, welche gleich seiner Grund-Resonanzfrequenz
ist. Die gewünschte Tonfrequenz und damit die Grund-Resonanzfrequenz des Wandlers ist etwa gleich
3,0 Kilohertz. Um einen piezoelektrischen Wandler 10 mit einer Grund-Resonanzfrequenz von etwa 3,0 Kilohertz herzu-
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stellen, müssen die folgenden vorgegebenen Abmessungen gewählt werden:
Durchmesser D des Substrates 12 aus Messing = 3,4925 cm
Dicke T" des Substrates 12 aus Messing . = 0,0254 cm
Durchmesser C des keramischen Elementes 14 = 2,54 cm
Dicke T.J des keramischen Elementes 14 = 0,0254 cm
Eine Gesamtdicke T1 des Substrates 12 aus Messing und des
keramischen Elementes 14 des konventionellen Wandlers beträgt daher typischerweise 0,0508 cm. Darüber hinaus
ist ein Grund-Knotendurchmesser N7 welcher im wesentlichen
durch den Durchmesser D des Substrates 12 aus Messing festgelegt ist, typischerweise gleich etwa 2,2225 cm. Bekannte
Wandler der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Art werden typischerweise an wenigstens einem Punkt auf einem
Kreis 30 montiert, dessen Durchmesser gleich dem Grund-Knotendurchmesser N ist (Knotenpunktmontage). Es ist hier
darauf hinzuweisen, daß in Fig. 2 aus Übersichtlichkeitsgründen
die Dicken der Elektroden 16 und 18, des piezoelektrischen keramischen Elementes 14 sowie des Substrates
12 aus Messing bezogen auf die anderen Abmessungen des piezoelektrischen Wandlers 10 übertrieben dargestellt sind.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Möglichkeit zur Reduzierung
der Grund-Resonanzfrequenz des konventionellen piezoelektrischen Wandlers 10 gemäß Fig. 1 auf eine Frequenz
von etwa 2,0 Kilohertz, wobei der Grund-KnotendurcTimesser N und der Substratdurchmesser D des vorbekannten Wandlers
10 aufrechterhalten bleiben, so daß eine niederfrequentere
Tonalarmvorrichtung (mit 2,0 Kilohertz) unter Verwendung des gleichen Gehäuses wie für eine höherfrequente Tonalarmvorrichtung
(3,0 Kilohertz) realisierbar isto Gemäß Fig.
umfasst ein piezoelektrischer Wandler 10' mit einer Resonanzfrequenz von etwa 2,0 Kilohertz ein kreisförmiges
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piezoelektrisches keramisches Element 14' mit einem Durchmesser
C, welcher kleiner als der vorgegebene Durchmesser C ist, und mit einer Dicke Tl, welche kleiner als die
vorgegebene Dicke T' des Wandlers 10 mit 3,0 Kilohertz
(Fig. 1) ist. Weiterhin umfasst der Wandler 10" ein kreisförmiges
Substrat 12' aus Messing, an das das keramische Element 14 * mechanisch und elektrisch angekoppelt ist.
Dieses Substrat besitzt einen Durchmesser D, welcher gleich dem vorgegebenen Durchmesser D ist, und eine Dicke
T'l, welche kleiner als die vorgegebene Dicke TL1 des Wandlers
10 mit 3,0 Kilohertz (Fig. 1) ist. Entsprechend dem bekannten Wandler sind am Substrat 12' und an dem
keramischen Element 14' Elektroden 16 und 18 sowie eine
nicht dargestellte Elektrode vorgesehen. Da die Dicken T^ und T^ des keramischen Elementes 14' bzw. des Substrates
Ϊ 2' kleiner als die Dicken Ti und TL1 für das keramische
Element 14 bzw. das Substrat 12 des bekannten Wandlers mit 3,0 Kilohertz sind, ergibt sich für den Wandler 10'
mit 2,0 Kilohertz (Fig. 4) eine Gesamtdicke T„, welche kleiner als die Gesamtdicke T- des Wandlers 10 mit 3,0
Kilohertz (Fig. 2) ist. Weiterhin sind beim piezoelektrischen Wandler 10' mit 2,0 Kilohertz acht Schlitze 22 vorgesehen,
welche jeweils radial und symmetrisch in das Substrat 12' aus Messing geschnitten sind und wenigstens
bis zum Kreis 30 reichen, dessen Durchmesser gleich dem Grund-Knotendurchmesser N ist. Wie aus Fig. 3 zu ersehen
ist, sind die Schlitze 22 radial vom Umfang bzw. γ,ρΐη Rand
des kreisförmigen Substrats 12' ausgehend eingeschnitten und auf den Mittelpunkt des kreisförmigen Substrates 12'
hin wenigstens bis zum Kreis 30 gerichtet. Auch im vorliegenden Fall stellt die Ausgestaltung mit drei Elektroden lediglich
ein Beispiel für Wandler dar, auf den die erfindungsgemäßen Maßnahmen anwendbar sind. Der Knotendurchmesser N
des piezoelektrischen Wandlers 10' ist gleich dem Grund-Knotendurchmesser
N des bekannten piezoelektrischen Wandlers
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10 (Fig. 1). Auch in Fig. 4 sind die Dicken der Elektroden 16 und 18, des piezoelektrischen keramischen Elementes
14' sowie des Substrates 12" aus Messing im Vergleich zu den anderen Abmessungen des piezoelektrischen Wandlers
10' aus Übersichtlichkeitsgründen übertrieben dargestellt.
Durch die vorstehend genannten Maßnahmen ist. eine Reduzierung der Resonanzfrequenz von 3,0 Kilohertz des
konventionellen piezoelektrischen Wandlers 10 auf eine Resonanzfrequenz von etwa 2,0 Kilohertz unter Aufrechterhaltung
des Grund-Knotendurchmessers N und des Substratdurchmessers D des konventionellen piezoelektrischen
Wandlers 10 möglich.
Es ist bekannt, daß die Abmessungs- und Materialparameter, welche die Resonanzfrequenz einer freien kreisförmigen
Scheibe bestimmen, durch folgende Gleichung gegeben sind:
f =
darin bedeuten:
f = die Resonanzfrequenz
t = die Dicke der kreisförmigen Scheibe,
r = den Radius der kreisförmigen Scheibe
Q = den Elastizitätsmodul
η = die Dichte des die kreisförmige Schej.be
bildenden Materials
CT = die Querdehnungsziffer
Aus der vorstehenden Gleichung ergibt sich, daß an sich die Änderung des Radius r der Scheibe das zweckmäßigste
Mittel zur Reduzierung der Resonanzfrequenz f ist. Eine
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Änderung des Radius des Substrats 12 aus Messing des Wandlers 10 (Fig. 1) führt jedoch zu einer entsprechenden Änderung des Grund-Knotendurchmessers N. Bei einer
Reduzierung der Resonanzfrequenz durch Änderung des Radius r des Substrats 12 aus Messing kann daher derselbe Grund-Knotendurchmesser
N und der vorgegebene Durchmesser D des Substrats 12 nicht aufrechterhalten werden. - .,
Aus der obigen Gleichung ergibt sich weiter, daß auch eine
Änderung der Materialzusammensetzung des Substrates 12 und/ oder des piezoelektrischen Elements 14 zu dem gewünschten
Ergebnis führen würde. Es wurde jedoch gefunden, daß die Dichte ρ und der Elastizitätsmodul Q von wirtschaftlich verwendbaren
Materialien, welche durch Messing und Keramik gegeben sind, nicht ausreichend unterschiedlich sind, um
Materialänderungen zweckmäßig erscheinen zu lassen. Gemäß der obigen Gleichung bleibt dann als einziger noch zu ändernder
Parameter zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses die Dicke t der die kreisförmige Scheibe bildenden Materialien.
Da sich der konventionelle piezoelektrische Wandler 10
(Fig. 1) aus zwei kreisförmigen Scheiben (Substrat 12 und keramisches Element 14) unterschiedlicher Durchmesser zusammensetzt,
ist die obige Formel zur Berechnung., der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Wandlers 10 nicht mehr gültig.
Es konnte jedoch empirisch gefunden werden, daß die Resonanzfrequenz des konventionellen Wandlers 10 durch die
obige 1/r -Beziehung angenähert werden kann, wenn die Dicken
Ti und T" des keramischen Elementes 14 und des Substrates
aus Messing etwa gleich sind.
Soll daher die Resonanzfrequenz eines konventionellen Wandlers mit f 1 gleich 3,0 Kilohertz auf beispielsweise fr2
gleich 1,9 Kilohertz reduziert werden, so erscheint dazu die Reduzierung der Gesamtdicke T1 des Wandlers 10 als einzige
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zweckmäßige Möglichkeit, wobei aufgrund der oben genannten Gleichung gilt:
oder
Um das gewünschte Ergebnis zu erreichen, müßte die Gesamtdicke T0 des piezoelektrischen Wandlers 10' gleich 0,03048
cm sein. Daraus würde eine Dicke TI für das keramische Element 14' von 0,01524 cm und eine Dicke T^ für das
Substrat 12' aus Messing von 0,01524 cm folgen. Bei einer
Reduzierung der Dicke des Substrates 12" aus Messing von 0,0254 cm des konventionellen Wandlers 10 auf 0,01524 cm
entstehen keine speziellen Probleme. Aus herstellungstechnischen Gründen wird es jedoch unökonomisch, die Dicke des
keramischen Elementes 14* auf Größen von weniger als 0,02032 cm zu reduzieren. Bei Dicken TI und TJJ des keramischen
Elementes 14' und des Substrates 12' aus Messing von 0,02032 cm ergibt sich aus der Beziehung:
welche aus der Gleichung:
.412t
[_
f =
daß die Resonanzfrequenz von 3,0 Kilohertz des konventionellen Wandlers 10 in wirtschaftlicher Weise bei einer Reduzierung
der Dicken des keramischen Elementes 14 und des Substrates 12 aus Messing nur auf 2,4 Kilohertz reduziert
werden kann. Es zeigt sich also, daß eine Reduzierung der Dicken des keramischen Elementes 14 und des Substrates 12 aus
Messing nicht zu dem gewünschten Ergebnis eines Wandlers 10
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mit einer Resonanzfrequenz von etwa 2,0 Kilohertz führt Aus der Schwingungsgleichung:
si
mc
in der:
f = die Resonanzfrequenz
m = die Masse des schwingenden Materials
c = die reziproke Steifigkeit des schwingenden Materials
bedeuten, wird ermittelt, daß die Resonanzfrequenz des
Wandlers 10 reduziert werden kann, wenn die reziproke Steifigkeit c des Teils des Substrats 12, welcher sich über den
vorgegebenen Durchmesser C des piezoelektrischen keramischen Elementes 14 hinaus erstreckt, ohne wesentliche Änderung
der Masse m des Wandlers 10 erhöht werden kann. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der reziproken Steifigkeit c des
Substrates 12 aus Messing ohne wesentliche Änderung der Gesamtmasse m des Wandlers 10 besteht in einer radialen
Schlitzung des Substrates 12 aus Messing von seinem Rand wenigstens bis zum Kreis 30, dessen Durchmesser gleich dem
Grund-Knotendurchmesser N ist. Zur Festlegung der Zahl von Schlitzen 22 sowie zur Festlegung, ob die Schlitze bis zum
vorgegebenen Durchmesser C des keramischen Elementes 14 oder bis zum Grund-Knotendurchmesser N des Wandlers 10 mit
3,0 Kilohertz reichen sollen, wurde eine Reihe von "Versuchen mit den folgenden Ergebnissen durchgeführt:
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Anzahl von Schlitzen 22
fr |
kHz |
prozentuale
Änderung von f |
2,894 |
kHz |
- |
2,768 |
kHz |
4,35 % |
2,631 |
kHz |
9,08 % |
2,960 |
kHz |
- |
2,798 |
kHz |
5,47 % |
2,640 |
10,8 % |
|
0 Schlitze
6 Schlitze bis zum keramischen Element 14 vorgegebenen Durchmessers
C
6 Schlitze bis zum Grund-Knotendurchmesser N
0 Schlitze
8 Schlitze bis zum keramischen Element 14 vorgegebenen Durchmessers
C
8-Schlitze bis zum Grund-Knotendurchmesser
N
Es zeigt sich also, daß eine radiale Schlitzung des frei vorstehenden Teils des Substrats 12 aus Messing zu einer
Reduzierung der Resonanzfrequenz des Wandlers 10 ohne wesentliche Änderung von dessen Impedanzcharakteristik führt. Darüber
hinaus ergibt eine radiale Schlitzung des Substrates 12 aus Messing bis zum Kreis 30 mit einem dem Grund-Knotendurchmesser
N des Wandlers 10 gleichen Durchmesser-eine doppelte prozentuale Änderung der Resonanzfrequenz f
gegenüber einer Schlitzung bis zum vorgegebenen Durchmesser C des keramischen Elementes 14. Der Prozentsatz der-Änderung
ist dabei größer, wenn acht Schlitze 22 (Fig. 3) anstelle von sechs Schlitzen 22 im Substrat 12 aus Messing
vorgesehen werden. Darüber hinaus wurde untersucht, ob sich eine Segmentierung des Substrates 12' mit Schlitzen gegenüber
einer andersartigen Segmentierung, beispielsweise mit drei
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" 7 —
Ecken oder Kreisen als vorteilhaft erweist. Dabei haben sich keine Unterschiede zwischen den verschiedenen Segmentierungsarten ergeben. Die Segmentierung durch Schlitze stellt
daher nur.eine Möglichkeit für die Segmentierung des Substrates
12' dar. ■
Die Verwendung von acht Schlitzen 22, welche symmetrisch
und radial vom Rand in das Substrat 12' aus Messing bis zu einer Tiefe geschnitten werden, die nicht kleiner als der
Kreis 30 mit einem dem Grund-Knotendurchmesser N gleichen Durchmesser ist, führt im Gegensatz zur Änderung der Resonanzfrequenz
f um 10,8 % auf 2,4 kHz durch Reduzierung der Dicke T'j des Substrates ' 12' und der Dicke T Λ des keramischen
Elementes 14' auf jeweils 0,02032 cm zu einer Änderung der Resonanzfrequenz f für den Wandler 10' auf etwa
2,136 kHz, was sehr nahe bei dem gewünschten Wert von 2,0 kHz für den Wandler 10' liegt. Um die Herstellung eines Wandlers
mit einer Resonanzfrequenz von 2,0 kHz zu erleichtern, wurde der vorgegebene Durchmesser C des keramischen.Elementes
(Fig. 1) auf einen Durchmesser C reduziert, welcher kleiner als der Grund-Knotendurchmesser ist, wodurch verhindert
wird, daß ein (nicht dargestelltes) Klebemittel zur Befestigung des keramischen Elementes 14' am Substrat 12'
aus Messing die Schlitze 22 teilweise füllen kann. Es zeigt sich dabei, daß die Reduzierung des vorgegebenen Durchmessers
C des keramischen Elementes 14 (Fig. 1) auf einen Durchmesser C die Resonanzfrequenz f des Wandlers 10' weiter
reduziert. Eine Reduzierung des Durchmessers C des keramischen Elementes 14 führt jedoch auch zu einer Erhöhung der
Impedanz des Wandlers 10'. Die Reduzierung des Durchmessers
C des keramischen Elementes 14 soll daher primär aus Herstellungsgründen
und nicht zur Reduzierung der Resonanzfrequenz f des Wandlers 10' erfolgen.
SSSSt
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