DE3728864A1

DE3728864A1 - Kondensatoranordnung

Info

Publication number: DE3728864A1
Application number: DE19873728864
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dr Duerr
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1987-08-28
Filing date: 1987-08-28
Publication date: 1989-03-09

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kondensatoranordnung mit veränderbarer Kapazität.

Der piezoelektrische Effekt ermöglicht bekanntlich die Umwand lung mechanischer Verformungskraft in elektrische Signale und umgekehrt. Als piezoelektrisches Material wird in solchen Bau elementen im allgemeinen Piezokeramik, vorzugsweise auf der Basis des ferroelektrischen Stoffes Bleizirkonattitanat Pb(Zr_xTi_1-x)O₃, in polykristalliner Form verwendet. Damit er reicht man hohe Dielektrizitätszahlen, beispielsweise etwa 400 bis 6000 und große Piezomodule. Eine verhältnismäßig große Aus lenkung bei geringer Betriebsspannung erhält man mit einem so genannten Biegewandler. In einer einfachen Ausführungsform wird eine piezokeramische Antriebsschicht in Form einer Scheibe oder Platte mit einer passiven Metallschicht vorzugsweise wesentlich geringerer Dicke zu einem Biegeverbund vereinigt. In einer wei teren Ausführungsform werden zwei dünne piezokeramische Schich ten durch Verkleben zu einer Doppelschicht verbunden und ihre freien Flachseiten werden jeweils mit einer Elektrode versehen. Die beiden, das bilaminare Biegeelement bildenden Keramikstrei fen sind entgegengesetzt polarisiert. Wird ein Ende dieses Bie geelements fest eingespannt und an die Elektroden eine Spannung angelegt, so dehnt sich einer der Streifen in seiner Längsrich tung, d.h. senkrecht zum angelegten Feld, während sich der andere Streifen zusammenzieht. Somit erhält man ähnlich wie bei einem erwärmten Bimetallstreifen eine Auslenkung. In einer wei teren Ausführungsform wird zwischen den beiden Piezokeramik streifen noch ein im allgemeinen wesentlich dünnerer Metall streifen angeordnet, der auch aus einer Folie bestehen kann (VALVO "Piezoxide Wandler" 1968, Seiten 38 bis 50).

Es sind ferner Geräte zum Erzeugen von Schnittbildern eines Untersuchungsobjektes, vorzugsweise eines menschlichen Körpers, mit magnetischer Kernresonanz bekannt. Diese Kernspintomogra phen enthalten einen Grundfeld-Magneten, der die Kernspins im menschlichen Körper ausrichtet, und ferner Gradientenspulen, die ein räumlich unterschiedliches Magnetfeld erzeugen, und schließlich Hochfrequenzspulen zur Anregung der Kernspins und zum Empfang der von den angeregten Kernspins emittierten Signale. Beim Einsatz einer derartigen hochfrequenten Anre gungs- und Meßspule wird die Induktivität der Spule zusammen mit einer veränderbaren Kapazität als LC-Resonanzkreis ge schaltet, wobei dann die Kondensatoranordnung der gewünschten Frequenz entsprechend abgestimmt wird. Hierzu können Drehkon densatoren verwendet werden, deren Kapazität durch Elektro motoren gesteuert wird (DE-OS 33 36 254).

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine besonders einfache und wirksame Steuerung von Kondensatoren mit veränder barer Kapazität anzugeben.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß piezoelektrische Wandler zur Einstellung des Abstands der Platten von Platten kondensatoren oder Rohrkondensatoren geeignet sind und sie besteht in den Maßnahmen gemäß dem Anspruch 1. Bei Plattenkon densatoren werden von den Piezowandlern die Platten relativ zu einander und bei Rohrkondensatoren wird das Dielektrikum rela tiv zu den Elektroden bewegt. Ein Dielektrikum mit einer Di elektrizitätszahl größer als Luft wird durch wenigstens einen Piezowandler in Achsrichtung des Rohres verstellt. In solchen Anordnungen kann die Kapazität der Kondensatoren in einfacher Weise durch die Betriebsspannung der Wandler gesteuert werden. Besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Kondensatoranord nung sowie eine bevorzugte Anwendung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der verschiedene Ausführungsformen der Kon densatoranordnung gemäß der Erfindung schematisch veranschau licht sind. Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Kondensator anordnung mit einem sogenannten Elongator als Piezowandler. Jeweils eine Ausführungsform der Anordnung mit zwei Biegewand lern ist in den Fig. 2 bis 4 dargestellt. In den Fig. 5 bis 7 ist jeweils eine Ausführungsform mit stufenweiser Ein stellung der Kapazität veranschaulicht. Eine besonders vorteil hafte Verwendung der Kondensatoranordnung ist in Fig. 8 darge stellt.

In der Ausführungsform der Kondensatoranordnung gemäß Fig. 1 ist ein als Elongator wirkender Piezowandler 2 vorgesehen, dessen Piezokeramik 5 vorzugsweise aus Bleizirkonattitanat Pb(Zr_xTi_1-x)O₃ oder auch aus Bariumtitanat bestehen kann, an zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen jeweils mit einer Elektrode 8 bzw. 9 versehen, die aus Metall, beispielsweise Kupfer oder Silber, bestehen können. An den Elektroden 8 und 9 kann die Gleichspannung einer Betriebsspannungsquelle 10 ange legt werden. Der Piezowandler ist an seinem oberen Ende orts fest eingespannt, was in der Figur lediglich durch eine Ver bindung mit einem Gehäuse 12 angedeutet ist. Am unteren Ende des Piezowandlers 2 ist ein Stempel 14 befestigt, der bei spielsweise aus Kunststoff, vorzugsweise Hartschaum, bestehen kann und an seiner unteren Flachseite mit einer Metallauflage versehen ist, die als bewegliche Kondensatorelektrode 18 dient und beispielsweise aus Silber oder Kupfer bestehen kann. Ihrer freien Flachseite gegenüber sind zwei weitere Elektroden 16 und 17 angeordnet, die jeweils mit einem Pol einer Spannungsquelle 20 versehen sind. Die Gesamtkapazität C des Kondensators wird gebildet aus der Serienschaltung der Teilkapazitäten C ₁ und C₂. Wird an die Elektroden 8 und 9 eine Gleichspannung der Be triebsspannungsquelle 10 angelegt, so dehnt sich der Piezowand ler 2 unter der Wirkung des elektrischen Feldes. Mit dem verän derten Abstand der Elektroden 16 und 17 zur gemeinsamen Elek trode 18 wird die Kapazität C der Kondensatoranordnung entspre chend gesteuert.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 2 sind die Elektroden 16 und 17 eines Plattenkondensators in einem vorbestimmten Abstand parallel zueinander angeordnet und jeweils auf einem Träger 21 bzw. 22 befestigt, die beispielsweise aus Kunststoff, vorzugs weise aus Hartschaum, bestehen können. Für einen Kondensator mit einer veränderbaren Kapazität von beispielsweise etwa 5 bis 20 pF können die Elektroden 16 und 17 beispielsweise jeweils etwa 40 mm lang und 30 mm breit sein und im Abstand a von etwa 1 mm einander gegenüber angeordnet sein. Die Dickenverhältnisse sind in der Figur zur Verdeutlichung wesentlich vergrößert dar gestellt. Die Kapazitätsänderung entsteht durch eine Abstands änderung von beispielsweise etwa ± 0,7 mm. Zu diesem Zweck ist das rechte Ende des Trägers 21 der oberen Elektrode 16 mit dem frei beweglichen Ende eines Biegewandlers 3 mit einer Länge von beispielsweise etwa 30 mm und einer Breite von beispielsweise etwa 10 mm verbunden. Das andere Ende des Biegewandlers 3 ist in einem ortsfesten Lager 24 eingespannt, das beispielsweise aus Gießharz oder auch aus glasfaserverstärktem Kunststoff be stehen kann. Der Biegewandler 3 enthält zwei Streifen aus Pie zokeramik 5 und 6 mit entgegengesetzter Polarisierung, die über eine metallische Zwischenlage 7 miteinander verbunden sind, die beispielsweise aus Aluminium bestehen kann und vorzugsweise wesentlich dünner sein kann als die beiden Streifen aus Piezo keramik 5 und 6 an ihren beiden Flachseiten. Die freien Flach seiten der Piezokeramik 5 und 6 sind jeweils mit einer Elektro de 8 bzw. 9 versehen, die mit der Betriebsspannungsquelle 10 verbunden sind. Das linke Ende des Trägers 22 der unteren Elek trode 17 ist mit dem freien Ende eines in gleicher Weise aufge bauten Biegewandlers 4 verbunden. Die Biegewandler können von den Herstellern fertig bezogen werden; ihre Bestandteile sind deshalb jeweils mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Die Betriebsspannungsquelle für den Biegewandler 4 ist ebenfalls mit 10 bezeichnet. Das linke Ende des Biegewandlers 4 ist in einem Lager 25 ebenfalls fest eingespannt. Wird an die Elektro den der Biegewandler 3 und 4 jeweils eine Betriebsspannung mit einer vorbestimmten Polung angeschlossen, so werden die freien Enden der Biegewandler 3 und 4 und damit die Elektroden 16 und 17 in der jeweils durch einen nicht näher bezeichneten Pfeil angegebenen Richtung ausgelenkt. Damit wird der Abstand der Elektroden vergrößert und somit die Kapazität des Kondensators entsprechend vermindert. Werden die Betriebsspannungen umge polt, so erhält man in gleicher Weise eine Abstandsverminderung und damit eine Kapazitätserhöhung.

In der Ausführungsform des Piezowandlers gemäß Fig. 3 sind die Elektroden 16 und 17 ebenfalls jeweils auf einem Träger 21 bzw. 22 befestigt und in einem vorbestimmten, in der Figur nicht näher bezeichneten Abstand einander gegenüber angeordnet. Das rechte Ende des Biegewandlers 3 und das linke Ende des Biege wandlers 4 ist jeweils mit dem Lager 24 bzw. 25 fest verbunden. Das linke Ende des Biegewandlers 3 und das rechte Ende des Bie gewandlers 4 ist jeweils über eine Brücke 26 bzw. 27 mit dem zugeordneten Träger 21 bzw. 22 der Elektroden 16 bzw. 17 ver bunden. Die Verbindung der Brücken 26 und 27 mit dem zugeordne ten Träger 21 bzw. 22 wird vorzugsweise derart ausgeführt, daß zwar eine kraftschlüssige, jedoch nicht eine starre Verbindung entsteht. Bei angelegter Betriebsspannung U an die Spannungs quellen 10 werden die freien Enden der Biegewandler 3 und 4 ausgelenkt, wie es in der Figur durch nicht näher bezeichnete Pfeile angedeutet ist und damit der Abstand der Elektroden 16 und 17 vergrößert und somit die Kapazität entsprechend vermin dert. Werden die Betriebsspannungsquellen 20 umgepolt, so wird entsprechend der Plattenabstand vermindert und damit die Kapa zität des Kondensators vergrößert.

Gemäß Fig. 4 ist das rechte Ende des Biegewandlers 3 im Lager 24 und das linke Ende des Biegewandlers 4 im Lager 25 befe stigt. In dieser Ausführungsform der Kondensatoranordnung die nen die einander zugewandten Elektroden 9 der Biegewandler 3 und 4 zugleich als Kondensatorelektroden. In dieser Ausfüh rungsform mit einer gemeinsamen Betriebspannungsquelle 10 sind in den Zuleitungen zu den Elektroden 8 und 9 der Biegewandler 3 bzw. 4 Entkoppelelemente 32 bis 35 vorgesehen, die vorzugsweise aus Induktivitäten oder auch aus hochohmigen Widerständen be stehen können.

Eine weitere Verbesserung der Entkopplung wird durch die beiden gegen Masse geschalteten Kondensatoren 38 und 39 erreicht.

Eine besonders vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Kondensa toranordnung besteht darin, daß der Kondensator von einem flüs sigen Dielektrikum, beispielsweise Öl, umgeben ist. Ferner kann der Kondensator in einem gasgefüllten oder evakuierten Gehäuse angeordnet sein. Als Füllgas ist beispielsweise Schwefelhexa fluorid SF₆ geeignet. In dieser Ausführungsform der Kondensa toranordnung wird die effektive Dielektrizitätskonstante und gegebenenfalls auch die Kapazität erhöht. Ferner erhöht sich dadurch die elektrische Spannungsfestigkeit der Anordnung und die Füllung bildet zugleich eine mechanische Dämpfung für die Bewegung der Biegewandler 3 und 4.

Die Kapazität der Kondensatoranordnung kann auch stufenweise gesteuert werden, wie es in Fig. 5 dargestellt ist. In dieser Ausführungsform sind z.B. drei Kondensatoren 37 bis 39 vorge sehen, die jeweils mit einer beweglichen Elektrode 41 bis 43 versehen sind, denen eine gemeinsame Elektrode 44 zugeordnet ist. An der gemeinsamen Elektrode ist zur Begrenzung des Ab standes der beweglichen Elektroden 41 bis 43 zur gemeinsamen Elektrode 44 für jeden der Kondensatoren 37 bis 39 ein Abstand halter 46 bis 48 vorgesehen. Die Höhe dieser Abstandhalter 46 bis 48 kann vorzugsweise so gewählt werden, daß der minimale Abstand d ₁ der beweglichen Elektroden 41 bis 43 zu ihrer ge meinsamen Elektrode 44 klein ist gegenüber dem maximalen Ab stand d ₀, der ebenfalls durch Abstandhalter 49 bis 54 begrenzt ist. Den beweglichen Elektroden 41 bis 43 ist jeweils ein An trieb 56 bis 58 zugeordnet, der wenigstens einen in der Figur nicht dargestellten Piezowandler, insbesondere einen oder mehrere Biegewandler enthält und die ihm zugeordnete Elektrode entsprechend einer ihm vorgegebenen Betriebsspannung verstellt. Die Größe der Elektroden 41 bis 43 kann vorzugsweise wie 1:2:4 gewählt werden. Werden dann die Elektroden 41 bis 43 lediglich zwischen zwei diskreten Abständen bewegt, welche durch die Abstandhalter 46 bis 48 und 49 bis 54 vorgegeben sind, so kann bei Parallelschaltung der Kondensatoren 37 bis 39 die Gesamt kapazität in binären Stufen verstellt werden.

Die Abstandhalter 46 bis 48 können in der Ausführungsform gemäß Fig. 6 auch aus einem festen Dielektrikum, beispielsweise Keramik, vorzugsweise Aluminiumoxid Al₂O₃, oder auch aus Kunst stoff, bestehen. In dieser Ausführungsform kann die Dielektri zitätskonstante ε ₁ der Abstandhalter 46 bis 48 vorzugsweise wesentlich größer gewählt werden als die Dielektrizitätskon stante ε ₂ im Raum zwischen den beweglichen Kondensatorelektro den 41 bis 43 und dem zugeordneten Abstandhalter 46 bis 48. Ein günstiges Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten erhält man beispielsweise mit Abstandhaltern aus Aluminiumoxid mit einer Dielektrizitätskonstante ε ₁ annähernd 10 und Luft, dessen Di elektrizitätskonstante ε ₂ annähernd 1 beträgt. Anstelle von Luft kann jedoch beispielsweise auch Öl und vorzugsweise ein Isoliergas, insbesondere Schwefelhexafluorid SF₆, oder Vakuum als Dielektrikum gewählt werden.

Gemäß Fig. 7 können die Kondensatoren 37 bis 39, deren Kapazi tät vorzugsweise binär abgestuft sein kann, auch jeweils durch einen Schalter 61 bzw. 62 bzw. 63 betätigt werden, die jeweils mit einem piezoelektrischen Antrieb 56 bzw. 57 bzw. 58 versehen sind.

Gemäß Fig. 8 soll ein Resonanzkreis aus der Induktivität L einer zur Anregung und zur Messung dienenden Hochfrequenzspule eines Kernspintomographen mit der Resonatorkapazität C _p abge stimmt werden, die sich aus einer festen Kapazität C _p′ und einer steuerbaren Kapazität C _p′′ ergibt. Ein Verlustwiderstand R beinhaltet alle Hochfrequenzverluste, die durch den ohmschen Widerstand der Hochfrequenzspule selbst und durch die Wechsel wirkung der magnetischen und elektrischen Hochfrequenz-Spulen felder mit dem Körpergewebe des Patienten entstehen und in dem auch die Verluste durch Abstrahlung enthalten sind. Die Zulei tung enthält noch einen Koppelkondensator C _s mit veränderbarer Kapazität zur Einstellung der Ankopplung an einen in der Figur nicht dargestellten Hochfrequenzgenerator. In einer Ausfüh rungsform einer Hochfrequenzspule für eine Frequenz von bei spielsweise 100 MHz mit einer Induktivität L von beispielsweise etwa 50 nH kann die feste Kapazität C _p′ beispielsweise 50 pF betragen und die Kapazität C′_p′ beispielsweise zwischen 0 und 5 pF veränderbar sein. Auch der Koppelkondensator C _s kann bei spielsweise von etwa 0 bis 5 pF veränderbar sein. In dieser Aus führungsform kann sowohl die veränderbare Resonatorkapazität C _p′′ als auch die Koppelkapazität C _s aus einer Kondensatoran ordnung gemäß einer der Fig. 1 bis 7 bestehen. Diese Konden satoranordnungen mit ihrem Antrieb enthalten kein magnetisches Material, so daß die Magnetfelder nicht gestört werden können. Da der Antrieb nur auf einer Längenänderung oder Biegeschwen kung beruht, können auch keine Lagerprobleme und Reibungsver luste auftreten. Außerdem erhält man eine verlustarme Steue rung, da bei einer Betriebsspannung der Piezowandler von etwa 50 bis 500 V nur ein Betriebsstrom von wenigen µA fließt.

In den Ausführungsformen der Kondensatoranordnungen gemäß den Fig. 1 bis 4 sind jeweils Kondensatoren mit ebenen Konden satorplatten vorgesehen. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, kammförmige Elektroden zu verwenden, bei denen mit der Bewegung der Piezowandler jeweils die Zähne der einen Elektro de zwischen die Zähne der anderen Elektrode bewegt werden. Mit dieser größeren Elektrodenfläche erhält man eine entsprechend größere Kapazitätsänderung.

Claims

1. Kondensatoranordnung mit veränderbarer Kapazität, da durch gekennzeichnet, daß sie Platten kondensatoren oder Rohrkondensatoren enthält und daß zur Steuerung der Kapazität wenigstens ein piezoelektrischer Wand ler (2) vorgesehen ist (Fig. 1).

2. Kondensatoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bewegung wenigstens einer der Elektroden ein Biegewandler (3, 4) vorgesehen ist.

3. Kondensatoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Biegewandler (3, 4) vorgesehen sind, bei denen jeweils ein Ende ortsfest gelagert ist und das andere schwenkbare Ende jeweils mit dem Träger (21, 22) einer Kondensatorelektrode (16 bzw. 17) verbunden ist, die in einem vorbestimmten Abstand einander gegenüber angeordnet sind (Fig. 2).

4. Kondensatoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kondensatorelektroden (16, 17) in einem vorbestimmten Abstand einander gegenüber angeordnet und jeweils mit einem Träger (21, 22) versehen sind und daß das eine Ende des einen Trägers (21) und das andere Ende des anderen Trägers (22) jeweils um eine Drehachse (28) bzw. (29) eines Lagers (24) bzw. (25) drehbar gelagert ist und daß an dem Lager (24, 25) jeweils ein Ende eines Piezowandlers (3) bzw. (4) befestigt ist, dessen anderes Ende über eine Brücke (26 bzw. 27) mit dem zugeordneten Träger (21 bzw. 22) der Elektrode (16 bzw. 17) verbunden ist (Fig. 3).

5. Kondensatoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (9) der Bie gewandler (2, 3) jeweils eine Kondensatorelektrode bilden (Fig. 4).

6. Kondensatoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zuleitungen zu den Elektroden (8, 9) der Biegewandler (3, 4) Entkopplungselemente (32 bis 35) vorgesehen sind.

7. Kondensatoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Entkopplungselemente Drosseln vorgesehen sind.

8. Kondensatoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß hochohmige Widerstände als Entkoppelelemente vorgesehen sind.

9. Kondensatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Konden sator von einem flüssigen Dielektrikum umgeben ist.

10. Kondensatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Konden sator in einem gasgefüllten Gehäuse angeordnet ist.

11. Kondensatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Kondensatoren (37 bis 39) vorgesehen sind, deren bewegliche Elektroden (41 bis 43) stufenweise durch piezoelektrische Antriebe (56 bis 58) zwischen zwei festen Plattenabständen steuerbar sind (Fig. 5).

12. Kondensatoranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der beweglichen Kondensatorelektroden (41 bis 43) binär unterschiedlich ist.

13. Kondensatoranordnung nach Anspruch 11 oder 12, ge kennzeichnet durch ein Dielektrikum (46 bis 48) als Abstandhalter für die beweglichen Elektroden (41 bis 43) der Kondensatoren (Fig. 6).

14. Kondensatoranordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß den Konden satoren (37 bis 39) jeweils ein piezoelektrisch gesteuerter Schalter zugeordnet ist (Fig. 7).

15. Kondensatoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens jeweils ein piezoelektrischer Wandler zur Steuerung der verän derbaren Resonatorkapazität (C _p′′) sowie zur Steuerung der Koppelkapazität (C _s) der Hochfrequenzspule (L, R) eines Kern spintomographen vorgesehen ist (Fig. 8).