DE920272C - Piezoelektrische Kristallelemente fuer elektromechanische Wandler - Google Patents

Description

• Piezoelektrische Kristallelemente für elektromechanische Wandler Piezoelektrische Biegeelemente in Form von zwei miteinander verklebten dünnen Kristallplatten geeigneter Schnittrichtung als Biegestreifen, Torsionsstreifen oder Sattelbieger sind allgemein bekannt und finden für Beschleunigungsmesser, Tonabnehmer, Mikrophone u. dgl. weitgehende Anwendung. Für viele Zwecke erfolgt die Auswahl des piezoelektrischen Materials nach dem Gesichtspunkt, eine möglichst niedrige Impedanz zu erzielen. Diese Forderung bedingt ein piezoelektrisches Material mit möglichst hoher Dielektrizitätskonstante, um eine hohe Kapazität zu erhalten. Das bisher für diese Zwecke verwendete Seignettesalz hat zwar eine hohe Dielektrizitätskonstante, entspricht jedoch in seiner physikalischenundchemischen Beständigkeit bei weitem nicht den Anforderungen der Praxis. Insbesondere läßt sein Temperaturverhalten zu wünschen übrig. Eine weitere Möglichkeit der Kapazitätserhöhung ist durch die Verwendung möglichst dünner Kristallplatten geeigneter Schnittrichtung gegeben. Jedoch sind dieser Möglichkeit durch die Fertigungsmethoden der Kristalle gewisse Grenzen gesetzt.
• Gemäß der Erfindung wird nun die Kapazität dadurch vergrößert, daß die Membran nicht mehr, wie bisher üblich, auf nur ein einziges Biegeelement arbeitet, sondern auf eine Anordnung einer Mehrzahl solcher, vorzugsweise aus sehr dünnen Platten bestehender Kristalle, die in einer zweckmäßig zentralsymmetrischen Weise angeordnet sind, deren piezoelektrisch schwingende freie Ecken nahe beieinander um das Zentrum der Anordnung herumliegen und gemeinsam auf eine Nadel bzw. Membran arbeiten. Auf diese Weise ist es möglich, so ausgebildete piezoelektrische Geräte der Bedingung einer geringen Impedanz anzupassen, obwohl das piezoelektrische Kristallmaterial nicht die hohe Dielektrizitätskonstante des Seignettesalzes besitzt, aber sonst sehr vorteilhafte Eigenschaften aufweist, wie z. B. ADP (primäres Ammöniumphosphat).
• In den Fig. i bis 4 sind Anordnungen von mehreren Kristallen schematisch dargestellt, die, mechanisch gekoppelt, auf einen gemeinsamen Antrieb, z: B. eine Membran; arbeiten. Die Kristalle werden dabei entweder in einer oder in mehreren Ebenen angeordnet. Vorzugsweise wird man Sattelbieger verwenden.
• In Fig. i sind vier quadratische Kristalle, etwa Sattelbieger, mit i, 2, 3 und 4. bezeichnet. Sie sind in einer symmetrischen Weise etwa quadratisch angeordnet. Die drei außen befindlichen Ecken jedes Sattelbiegers sind durch geeignete Maßnahmen auf einer Unterlage fixiert. Diese Fixierung ist durch die kleinen Kreise 5 angedeutet. Beweglich sind die inneren, einander mit geringem Abstand gegenüberstehenden Ecken 6 jedes Kristalls. Diese Ecken arbeiten gemeinsam auf einen Nadelträger 7 mit der Nadel 8 zur Übertragung des Antriebs. Man sieht ohne weiteres, daß gegenüber der Anordnung mit nur einem Element eine Vergrößerung der Kapazität auf das Vierfache eingetreten ist. Will man die Kapazität noch mehr vergrößern, dann müßten mehrere solcher Elementgruppen mit gleicher Achse in verschiedenen Ebenen hintereinander angeordnet sein. Das mit den beweglichen Ecken verbundene Element 7 wird dann zweckmäßig als Zylinder von geeigneter Länge ausgeführt, auf welchem die Nadel befestigt ist. Aus Gründen der mechanischen Resonanz kann es zweckmäßig sein, den Zylinder als Hohlzylinder auszuführen oder aber als eine Art Reuse, d. h. der Zylindermantel wird nur durch parallel zur Zylinderachse verlaufende Stäbe dargestellt, die entweder alle oder nur teilweise mit den Kristallecken verbunden sind und die an den Stirnseiten durch einen Ring oder eine Platte miteinander zu einer Einheit vereinigt werden.
• In Fig. i ist mit 9 strichpunktiert ein Element einer weiteren Gruppe bezeichnet. Diese weitere Gruppe kann entweder in einer besonderen Ebene angeordnet sein, es kann aber auch nach Fig. a ein dachziegelartiges Überlappen der verschiedenen Elemente vorteilhaft sein, so daß alle zusammenarbeitenden Elemente im wesentlichen in einer Ebene liegen. Da in dieser Anordnung für die Befestigung auf einer Unterlage nur zwei Ecken jeder Kristallplatte direkt zugänglich sind, während sich zwischen die dritte Ecke und die Unterlage eine oder mehrere Kristallplatten einschieben, so muß diese dritte Ecke gegebenenfalls durch einen Bügel I von der Unterlage her erfaßt -werden, wenn man nicht an der in Frage kommenden Stelle in den benachbarten Kristallplatten ein Loch vorsieht, durch welches hindurch die Fixierung der dritten Ecke erfolgt. Es mag weiterhin vorteilhaft sein, die mechanische Symmetrie durch ein zweites gleiches Loch wiederherzustellen. Wenn an jeder Befestigungsstelle zwei andere Platten zu durchgreifen sind, müssen in jeder Platte zwei Löcher vorgesehen sein, deren symmetrische Position in der Platte durch die sonstigen Bedingungen angestrebt werden kann. In Fig. 3 ist eine der Fig. i entsprechende Anordnung für rechteckige Sattelbieger schematisch dargestellt. Man kann selbstverständlich Streifen dieser Art auch als Torsionsstreifen ansehen bzw. durch solche ersetzen. In jedem Falle tritt eine Vergrößerung der Kapazität ein.
• Eine weitere Anordnung mit rechteckigen Sattelbiegern ist in Fig. 4 dargestellt, wo in zentralsymmetrischer Anordnung ein ganzes System von rechteckigen Sattelbiegern auf eine im Zentrum liegende :Tadel arbeitet.
• Das Zusammenarbeiten der verschiedenen Elemente hat zur Voraussetzung, daß die einzelnen Platten so geschnitten und so geschaltet sind; daß sich die Wirkungen der Formänderung der einzelnen Elemente unterstützen und nicht gegenseitig stören oder aufheben.
• Es ist weiterhin möglich, jedes Kristallelement in einer Mehrschichtenanordnung auszuführen, wobei unter Anstreben einer normalen Formveränderung unter dem Einfluß der elektrischen Erregung die Dicke der Teilplatten, Spannung und Feldstärke in gewünschter Weise aufeinander abgestimmt sind.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Elektromechanischer Wandler mit piezoelektrischen Kristallen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von vorzugsweise aus sehr dünnen Platten bestehender Kristalle in einer zweckmäßig zentralsymmetrischen Weise angeordnet ist, deren piezoelektrisch schwingende freie Ecken nahe beieinander um das Zentrum der Anordnung herum liegen und gemeinsam auf eine Nadel bzw. Membran arbeiten.
2. 2. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristalle in einer oder mehreren Ebenen hintereinander mit der gleichen Symmetrieachse oder mit dachziegelartigem Übergriff im wesentlichen in einer Ebene liegend angeordnet sind.
3. 3. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch i und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Kristalle Sattelbieger von quadratischer oder von rechteckiger Form verwendet sind. :I. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch i bis 3, dadurch gekennzeichnet, däß jede Kristallplatte einen mehrschichtigen Aufbau aufweist: