DE2838288A1

DE2838288A1 - Piezoelektrischer schwinger

Info

Publication number: DE2838288A1
Application number: DE19782838288
Authority: DE
Inventors: Keizo Tabuchi; Toshiaki Yamashita; Katsumi Yukawa
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1977-09-05
Filing date: 1978-09-01
Publication date: 1979-03-08
Also published as: JPS5655752Y2; DE2838288B2; DE2838288C3; JPS5446280U

Description

BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Schwinger mit einer piezoelektrischen Zweiplattenanordnung, und insbesondere auf die Kombination einer piezoelektrischen Zweiplattenanordnung mit einer zugehörigen Schaltung für den Schwinger.
Piezoelektrische Schwinger mit einer piezoelektrischen Zweiplattenanordnung sind als Niederfrequenzschwinger wie beispielsweise Summer bereits im Gebrauch. Die Zweiplattenanordnung wird dadurch gebildet, daß zwei Flachmaterialien übereinandergeschichtet miteinander verklebt werden, von denen mindestens das eine Flachmaterial aus einem piezoelektrischen Material besteht, bei dem senkrecht zu einem elektrischen Feld longitudinal Verwerfungen eintreten. Beim Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes an das piezoelektrische Flachmaterial biegt dieses sich abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen durch und verwandelt so elektrische Energie in mechanische Energie, und umgekehrt.
Das zusammengesetzte Element kann aus zwei zusammengeklebten piezoelektrischen Flachmaterialschichten mit entgegengesetzter Polarität bestehen und wird dann als symmetrische Zweiplattenanordnung bezeichnet. Alternativ kann auch eine piezoelektrische Materialschicht mit einem anderen Material wie beispielsweise einem Metallblech verklebt werden, diese Anordnung bezeichnet man dann als asymmetrische Zweiplattenanordnung.
Piezoelektrische Zweiplattenschwinger eignen sich gut als Summer; sie haben eine hohe Lebensdauer, weil sie kontaktlos und auf Halbleiterbasis arbeiten, einen guten Korrosionsschutz aufweisen, wenig Leistung verbrauchen, in der Tonhöhe variabel sind usw.
Bei einem piezoelektrischen Summer mit asymmetrischer Zweiplattenanordnung ist beispielsweise ein kreisrundes piezoelektrisches Keramikflachmaterial konzentrisch mit einem anderen kreisförmigen Flachmaterial von größerem Durchmesser verklebt, so daß eine asymmetrische scheibenförmige Zweiplattenanordnung vom Biegeschwingertyp mit einem Resonanzknoten an der freien Umfangskante gebildet wird. Da eine freie Schwingung mit hohem Gütefaktor ausgenutzt wird, besteht ein hoher elektromechanischer Wandlerwirkungsgrad, und in 1 m Abstand vom Summer läßt sich ein Schalldruck von mehr als 80 dB erzielen. Dabei wird eine Zweiplattenanordnung mit freischwingender Umfangskante benutzt, und der kreisförmige Schwingungsknotenbereich wird durch ein weiches Material abgestützt. Zum Betreiben der Zweiplattenanordnung aus einer Gleichstromquelle benutzt man gewöhnlich eine zusätzliche Oszillatorschaltung, beispielsweise mit einem Transistor. Gewöhnlich sind der Schwinger einerseits und die Oszillatorschaltung andererseits getrennt angeordnet, und die Oszillatorschaltung ist dabei auf einer gedruckten Leiterplatte untergebracht, deren Material sich von dem Material des Schwingers unterscheidet. Dadurch werden konventionelle piezoelektrische Schwinger relativ umfangreich, und ferner sind elektrische Verbindungen in Form von an Anschlüse angelöteten Drähten, beispielsweise zwischen der Zweiplattenanordnung und der Oszillatorschaltung notwendig. Solche Verdrahtung ist aufwendig, kompliziert und macht den Summer teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten piezoelektrischen Schwinger der eingangs genannten Art, insbesondere vom asymmetrischen, aber ggfs. auch vom symmetrischen Zweiplattentyp vorzuschlagen, der sich miniaturisieren und billig herstellen läßt.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben, vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
Ein besonderes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß eine einzige gedruckte Leiterplatte sowohl als Träger für die Oszillatorschaltung als auch als die eine Platte der piezoelektrischen Zweiplattenanordnung ausgenutzt wird. Diese Leiterplatte ist durch einen Schlitz in einen Vibratorabschnitt und einen Oszillatorschaltungsabschnitt unterteilt, und beide Abschnitte sind durch Verbindungsabschnitte miteinander verbunden. Mit dem Vibratorabschnitt ist ein piezoelektrisches Flachmaterialstück durch Kleben verbunden und operativ mit der Oszillatorschaltung auf dem Oszillatorschaltungsabschnitt der Leiterplatte gekoppelt.
Vorzugsweise ist eine unterseitige Elektrode auf dem piezoelektrischen Flachmaterial über ein gedrucktes Leitungsmuster auf dem Vibratorabschnitt sowie auf den Verbindungsabschnitten mit der Oszillatorschaltung verbunden.
Auf diese Weise wird ein sehr kompakt aufgebauter piezoelektrischer Schwinger erhalten, der billig herstellbar ist, da die Verdrahtung durch aufgedruckte Leitungsabschnitte aufs den Verbindungsabschnitten wesentlich vereinfacht ist.
Nachstehend wird ein die Merkmale der Erfindung aufweisendes bevorzugtes Ausführungsbeispiel in Verbindung mit einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Perspektivdarstellung des nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels im zerlegten Zustand, Fig. 2A eine teilweise schematische Draufsicht auf diese Ausführung, Fig. 2B einen Schnitt im Verlauf einer Linie IIB-IIB von Fig. 2A, und Fig. 3 ein Schaltbild zu der erfindungsgemäßen Ausführung.
Das in Fig. 1 perspektivisch und zerlegt dargestellte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel besitzt eine beispielsweise aus Epoxiharz unter Verwendung von Glasfasern hergestellte gedruckte Leiterplatte 1, die durch eine Anzahl von im Kreis angeordneten Schlitzen 4 in einen kreisrunden Vibratorabschnitt 21 und einen Tragabschnitt bzw. Oszillatorschaltungsabschnitt 22 unterteilt ist. Stehengebliebene Brückenabschnitte3 zwischen den benachbarten Schlitzen 4 stützen und verbinden den Vibratorabschnitt 21 mit dem Tragabschnitt 22. Bei der dargestellten Ausführungsform sind drei gleichmäßig beabstandete Brückenabschnitte 3 vorhanden. Abgesehen von den schmalen Brückenabschnitten 3 trennen die Schlitze 4 den Vibratorabschnitt 21 fast vollständig von dem Tragabschnitt 22, der Vibratorabschnitt 21 ist nur noch an drei durch die Brückenabschnitte 3 bestimmten Umfangspunkten unterstützt. Die Schlitzbreite kann willkürlich gewählt werden, aber die Brückenabschnitte 3müssen so breit sein, daß sie genügend mechanische Festigkeit zum Tragen des Vibratorabschnitts 21 besitzen.
Ferner ist ein scheibenförmiges piezoelektrisches Flachmaterialstück 5 aus einem Material wie Bariumtitanat-Keramik, Bleizirkonat-Titanat-Keramik (PZT) od. dgl. vorbereitet, auf dessen Unterseite getrennte Haupt- und Hilfselektroden 51a und 51b, und auf dessen gesamter Oberseite eine Elektrode 52 geformt ist. Sämtliche Elektroden 51a, 51b und 52 bestehen aus Silber. Somit ist das hier dargestellte Ausführungsbeispiel für einen piezoelektrischen Summer ein Drei-Elektroden-Typ. An sich sind piezoelektrische Drei-Elektroden-Summer bekannt, sie unterscheiden sich aber wesentlich von der erfindungsgemäßen Ausführung. Es wird darauf hingewiesen, daß man piezoelektrische Summer auch als Zwei-Elektroden-Typ mit je einer durchgehenden Elektrode auf der Ober- und Unterseite des piezoelektrischen Flachmaterials ausführen kann, und daß die Erfindung ebenso auf einen solchen piezoelektrischen Zwei-Elektroden-Summer anwendbar ist. Da Zwei-Elektroden-Typen in der Fachwelt sehr gut bekannt sind, wird es für überflüssig gehalten auch einen solchen Zwei-Elektroden-Type detailliert zu beschreiben.
Wie sich aus den Fig. 2A und 2B entnehmen läßt, gehören zum Vibratorabschnitt 21 auf der unteren Oberfläche zwei Leiterplattenzonen 61a und 61b, welche den unterteilten Haupt- und Hilfselektroden 51a und 51b auf dem piezoelektrischen Flachmaterialstück 5 entsprechen. Beide Leiterplattenzonen 61a und 61b erstrecken sich über je einen zugeordneten Brückenabschnitt 3 hinweg bis auf den Trag-bzw. Oszillatorschaltungsabschnitt 22, so daß auf diese Weise die Leiterplattenzone 61a mit einer L-förmigen Leiterbahn 71a und die Leiterplattenzone 61b mit einer diametral gegenüberliegenden L-förmigen Leiterbahn 71b verbunden ist.
Außerdem gibt es gem. Fig. 2A noch jeweils in der rechten oberen und diametral gegenüberliegenden linken unteren Ecke des Oszillatorschaltungsabschnitts 22 je eine L-förmige Leiterbahn 64 bzw. 62 als gedruckter Leiterbahnzug der Leiterplatte, und außerdem eine U-förmige Leiterbahn 63 in der Darstellung ganz unten. Jeweils das untere Ende der Leiterbahn 64 und das rechte obere Ende der Leiterbahn 63 erstrecken sich bis zur rechtsseitigen Außenkante der Leiterplatte 1 und bilden hier mit plus und minus bezeichnete Außenanschlußkontakte, so daß man die Leiterplatte 1 in eine Kontaktleiste einstecken und auf diese Weise die auf der Platte befindliche Schaltung anschließen kann.
Das scheibenförmige piezoelektrische Flachmaterialstück 5 ist mit einem Klebstoff so auf die entsprechende Oberfläche des Vibratorabschnitts 21 der Leiterplatte 1 aufgeklebt, daß die getrennten Haupt- und Hilfselektroden 51a und 51b auf der unteren Oberfläche des scheibenförmigen Flachmaterialstücks 5 individuell den Leiterplattenzongen 61a bzw. 61b zugekehrt sind. Das Klebemittel kann entweder ein leitfähiger oder ein isolierender Typ sein. Ist es ein leitfähiger Typ, dann sind die Elektroden 51a und 51b auf der Unterseite von fünf elektrische mit den Leiterplattenzonen 61a bzw. 61b verbunden. Ist es dagegen ein Isoliertyp, dann sind die beiden Elektroden 51a und 51b nur kapazitiv mit den Leiterplattenzonen 61a bzw. 61b gekoppelt. In jedem Fall ist damit die nachstehend beschriebene Oszillatorschaltung vollständig. Dann wird die Gesamtflächenelektrode 52 auf der Oberseite des piezoelektrischen Flachmaterialstücks 5 mittels eines Drahtleiters 7 an die U-förmige Leiterbahn 63 des Oszillatorschaltungsabschnitts 22 verbunden. Dieser Drahtleiter 7 kann mit der Eleketrode 52 und dem Leiterbahnabschnitt 63 beispielsweise durch Löten verbunden sein.
Die Basis eines zu dem Oszillatorschaltungsabschnitts 22 gehörenden Transistors TR ist mit dem oberen Ende von Leiterbahn 62, der Kollektor des Transistors mit dem unteren Ende der Leiterbahn 71a, und der Emitter des Transistors mit dem oberen Ende der Leiterbahn 63 verbunden. Zwischen dem rechten Ende von Leiterbahn 71a und dem linken Ende von Leiter- bahn 64 liegt ein Widerstand R2, und zwischen dem oberen Ende von Leiterbahn 71b und dem unteren Ende von Leiterbahn 64 liegt ein Widerstand R3. Daraus besteht die in Fig. 3 als Schaltbild gezeigte Oszillatorschaltung des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Summers.
FUNKTIONSBESCHREIBUNG: Ein an der unterseitigen Hilfselektrode 51b empfangenes elektrisches Signal wird durch den Transistor TR verstärkt und der unterseitigen Hauptelektrode 51 zugeführt, und daraus resultiert ein zwischen den Elektroden 51a und 52 des piezoelektrischen Flachmaterialstücks 5 bestehendes elektrisches Feld, welches eine Biegeschwingung in dem piezoelektrischen Flachmaterialstück 5 verursacht. Als Ergebnis gelangt ein elektrisches Signal an die Hilfselektrode 51b, es wird eine positive Rückkoppelschleife mit Transistor TR und dem piezoelektrischen Flachmaterialstück 5 hergestellt und eine Oszillatorschaltung gebildet. Die zuvor erwähnte Biegeschwingung führt zu einer Schallabgabe. Die Hauptelektrode 51a dient als Elektrode zum Anlegen des elektrischen Feldes an das piezoelektrische Flachmaterialstück 5, ihr steht daher der wesentliche Flächenanteil des piezoelektrischen Materials zu. Dagegen dient die Hilfselektrode 51b zur Aufnahme eines elektrischen Signals von der Schwingung zum Zwecke der positiven Rückkopplung, Wenn auch vorstehend ein piezoelektrischer Drei-Elektroden-Typ-Summer beschrieben worden ist, so läßt sich die Erfindung in gleichem Maße auch auf einen piezoelektrischen Zwei-Elektroden-Summer anwenden, wie bereits erwähnt. Die Beschreibung des Drei-Elektroden-Typs bedeutet in keiner Weise eine Beschränkung der Erfindung: Bei einer vom Erfinder ausgeführten Versuchsanordnung des piezoelektrischen Summers hatte die gedruckte Leiterplatte 1 eine Dicke von 0,3 mm, der Durchmesser des Vibratorabschnitts 21 betrug 35 mm, das piezoelektrische Flachmaterialstück 5 war 0,2 mm dick und hatte einen Außendurchmesser von 25 mm, es stellte sich eine Vibratorfrequenz von etwa 2,8 kHz ein, und der Schalldruck betrug 80 dB in 30 cm Entfernung von der Frontseite des Summers.
Wenn auch beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Vibratorabschnitt kreisförmig ist, so könnte er alternativ dazu auch als Polygon geschaltet sein. Bei Versuchen hat sich gezeigt, daß vorzugsweise das piezoelektrische Flachmaterialstück kleiner als der Vibratorabschnitt der gedruckten Leiterplatte sein sollte, aber größer als der Schwingungsknoten. Es hat sich ferner gezeigt, daß sich erfindungsgemäß die Vibratorfrequenz willkürlich in einen Bereich zwischen etwa 1 kHz bis etwa 5 kHz legen läßt, indem man die geometrischen Abmessungen des piezoelektrischen Flachmaterials und des Vibratorabschnitts entsprechend auswählt.

Claims

Piezoelektrischer Schwinger Priorität: 5. September 1977, Japan, Ser.Nr. 120316/1977 PATENTANSPRÜCHE 1. Piezoelektrischer Schwinger mit einer gedruckten Leiterplatte, einem piezoelektrischen Flachmaterial und einer Oszillatorschaltung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die gedruckte Leiterplatte (1) durch einen Schlitzabschnitt (4) in einen ersten und einen zweiten Abschnitt (21, 22) unterteilt ist, wobei zwischen den beiden Leiterplattenabschnitten (21, 22) ein Verbindungsabschnitt (3) der Leiterplatte bestehen geblieben ist, über den der erste Abschnitt (21) von dem zweiten Abschnitt (22) getragen ist; daß das piezoelektrische Flachmaterial (5) an den ersten Abschnitten (21) der Leiterplatte (1) angeheftet, insbesondere angeklebt ist; und daß auf dem zweiten Abschnitt (22) der Leiterplatte die Oszillatorschaltung (TR ...) angeordnet und in der Weise an das piezoelektrische Material (5) angekoppelt ist, daß das an den ersten Abschnitt (21) der Leiterplatte angeheftete piezoelektrische Material zu einer Biegeschwingung veranlaßt wird.
2. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß auf der oberen und der unteren Oberfläche des piezoelektrischen Materials (5) Elektroden (52; 51a, b)X¢geformt sind; und daß auf dem ersten Abschnitt (21) der gedruckten Leiterplatte ein erstes gedrucktes Leitungsmuster (61a, b) ausgebildet ist, über das die Elektrode (51a, b) auf der unterseitigen Oberfläche des piezoelektrischen Materials (5) operativ mit der Oszillatorschaltung verbunden sind.
3. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß auf dem Verbindungsabschnitt (3) ein das erste gedruckte Leitungsmuster (61a, b) mit der Oszillatorschaltung verbindendes zweites gedrucktes Leitungsmuster (71a, b)
4. Piezoelektrischer Schwinger nach mindestens einem der vorstehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß auf dem zweiten Abschnitt (22) der gedruckten Leiterplatte (1) ein zu der Oszillatorschaltung gehörendes drittes gedrucktes Leitungsmuster (62, 63, 64) gebildet ist.
5. Piezoelektrischer Schwinger nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Elektrode (52) auf der oberseitigen Oberfläche des piezoelektrischen Materials (5) durch eine Verdrahtung (7) mit der Oszillatorschaltung verbunden ist.
6. Piezoelektrischer Schwinger nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß die Elektrode auf der unterseitigen Oberfläche des piezoelektrischen Flachmaterials (5) mindestens in zwei diskrete Abschnitte (51a, 51b), und das erste gedruckte- Leitungsmuster auf dem ersten Abschnitt (21) in mindestens zwei diesen Abschnitten (51a, b) entsprechende erste Leitungsmusterabschnitte (61a, 61b) unterteilt sind; daß der Verbindungsabschnitt (3) der Leiterplatte (1) und das zweite gedruckte Leitungsmuster darauf in mindestens zwei Verbindungsabschnitte mit je einem zugeordneten zweiten Leitungsmusterabschnitt (71a, b) unterteilt sind; und daß mindestens zwei diskrete Abschnitte (51a, b) der unterseitigen Elektrode (51) individuell durch die ersten Leitungsmusterabschnitte (61a, b) auf dem ersten oder Vibratorabschnitt (21) und durch die mindestens zwei Leitungsmuster auf den mindestens zwei Verbindungsabschnitten (3) mit der Oszillatorschaltung (TR...) verbunden sind.
7. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , da der Verbindungsabschnitt (3) in eine Vielzahl von separaten Verbindungsabschnitten unterteilt ist.
8. Piezoelektrischer Schwinger nach Ansrpuch 1, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der erste Abschnitt (21) der gedruckten Leiterplatte (1) von einem Schlitz (4) eingefaßtist.
9. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 8, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der zweite Abschnitt (22) den ersten Abschnitt (21) unter Freilassung des dazwischenliegenden Schlitzes (4) umgibt.