DE946820C - Elektromechanische, insbesondere elektroakustische Umwandlungsvorrichtung aus piezoelektrischen Elementen - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM ». AUGUST 1956

A 20302 VIII a /21a²

ist als Erfinder genannt worden

Die Erfindung- bezieht sich auf eine aus piezoelektrischen Elementen bestehende Vorrichtung· zur Umwandlung elektrischer Energie in Bewegungsenergie oder umgekehrt, insbesondere zur Umwandlung· elektrischer Energie in akustische Energie. Bei derartigen Umwandlungsvorrichtungen haben als piezoelektrische Elemente sogenannte Doppelplatten, z. B. aus Seignettesalzkristallen, Anwendung gefunden. Wird an 'die Elektroden solcher Doppelplatten eine elektrische Spannung gelegt, so tritt eine Deformation auf, die bei quadratischen Platten nach Art einer Sattelftäche erfolgt und bei rechteckigen Streifen in eine schraubenförmig gewundene Fläche ausartet. Man hat diese Deformationen z.B. für Lautsprecher in der Weise ausgenutzt, daß man eftie Doppelplatte an drei Ecken gehaltert hat und an der freischwingenden vierten Ecke die Spitze der Konusmembran des Lautsprechers befestigt hat.

Es hat sich gezeigt, daß derartige Kristallanordnuingen eine verhältnismäßig hohe Eigenfrequenz besitzen. Lautsprecher mit solchen KristaHantriebssystemen sand ideshalb praktisch nur als Hochtonlautsprecher brauchbar, weil die Resonanz etwa in der Mitte des zu übertragenden Tonfrequenzbereiches liegt und.daher für Schwingungen unterhalb der Resonanzfrequenz ein Abfall der Schwingungsamplitude eintritt. Insbesondere ist dies bei einem bekannten piezoelektrischen Schallgerät der Fall, bei dem sich zwei Doppelplatten in geringem

Abstand so gegenüberstehen, daß zwischen innen eine kleine Druckkammer entsteht. Die Doppelplatten werden dabei an geeigneten Punkten durch mehrere kleine Zwischenstücke aus Isolierstoff in einem bestimmten Abstand voneinander gehalten und befestigt. Es ist nun nicht ohne weiteres möglich, die Eigenfrequenz solcher Kristallsysteme etwa dadurch herabzusetzen, daß die räumlichen Abmessungen des Kristalls vergrößert werden; denn ίο danin würden die Abmessungen untragbar groß werden. Außerdem würden derartig große Kristalle sehr empfindlich und auch verhältnismäßig teuer sein.

Die Erfindung stellt eich nun die Aufgabe, eine elektroimechanische, insbesondere elektroakustische^ aus piezoelektrischen Doppelplatten bestehende Umwandlungsvoxrichtung zu schaffen, deren Eigenfrequenz niedrig· liegt, vorzugsweise im. Bereich von 50 bis 150 Hz, ohne daß dabei die räuimlichien Abmessungen des Kristallsystems unbequem groß werden und ohne daß der Wirkungsgrad und die Betriebssicherheit der Anordnung beeinträchtigt werden.

Gemäß einem Hauptmerkmal der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, 'daß zwei oder mehrere Doppelplatten durch Zwischenschichten, die aus einem durch geringe Kräfte verformbaren elastischen Werkstoff, wie z. B. Gummi oder Polyvinylchlorid, bestehen, in der Weise verbunden und aufeinandergeschichtet werden, daß sich die durch die Doppelplatten ausgeübten Torsionskräfte addieren.

Die Fig·, t zeigt den Fall zweier gemäß der Erfindung durch leine Zwischenschicht zusammengefügter Doppelstreifen in Seitenansicht. Aus dieser Figur sind auch die Elektradenanschlüsse und ihre Polung zu erkennen. Es bedeuten 1 und 2 je ein Doppelstreifen an sich bekannter Bauart aus piezoelektrischen Kristallen von vorzugsweise langgestreckter rechteckiger Form. Die beiden parallel angeordneten Doppelstreifen sind durch eine Zwischenschicht 3 zusammengefügt. Diese Zwischenschicht besitzt die Eigenschaft, daß-sie leicht verformbar und zugleich elastisch- ist, derart, daß sie den beim Betrieb der Kristallanordnung auftretenden Deformationen gegenüber nachgibt, ohne daß jedoch der mechanische Zusammenhalt der beiden Doppelstreifen verlorengeht. Die Art der mechanischen Beanspruchung der Zwischenschicht läßt die schematische Darstellung der Fig. 2 erkennen. Diese Figur zeigt von oben gesehen die am oberen schmalen Ende des Doppelstreifenpaares auftretende Deformation, wenn die Kristallanordnuiig nach Fig. 1 am unteren schmalen Ende, wie durch die Halterungen 6 und 7 angedeutet ist, festgehalten wird. Wird eine elektrische Spannung an die Anschlüsse 4 und 5 des Doppelstreifenpaares 1, 2 gelegt, so führt das obere Ende eine Bewegung in Richtung der Pfeile aus und nimmt die Lage 1', 2' ein. Die' Zwischenschicht 3 ist somit Scherungs- - kräften ausgesetzt. Die Zwischenschicht ist nun so beschaffen, daß sie diesen Verformungskräften nur einen geringen Widerstand 'entgegensetzt und bei Aufhören der Kräfte die ursprüngliche Form wieder einnimmt. Zum Beispiel hat sich Polyvinylchlorid als geeigneter Stoff für die Zwischenschicht erwiesen." Es können aber auch andere gmnmiähnliche Stoffe Verwendung finden.

Die Dicke der Zwischenschicht wird bei gegebenem Material zweckmäßig so gewählt, daß eine hinreichende Dämpfung störender Eigenschwingungen, z. B. Biegeschwingungen, eintritt. Zum Beispiel hat sich bei Verwendung von Doppelstreifen mit den Abmessungen von 15 cm Länge, 4 cm Breite, 4 mm Dicke eine Polyvinylchloridschicht als brauchbar erwiesen, deren Dicke etwa halb so groß wie die Dicke eines Doppelstreifens ist.

Ein besonderes Verkleben der Zwischenschicht mit den Kristallplatten ist nicht unbedingt lerforderlich, wenn das Doppelplattenpaar,- wie es für die meisten Anwendungen in Frage kommt, an den beiden Enden durch Verspannung zusammengepreßt wird.

Das erfindungsgemäße piezoelektrische Doppelstreifenpaar kann bei gleicher zulässiger Maximalbelastung eine wiesientlich größere Dicke und damit tiefere Eigenfrequenz erhalten als ein einfacher Doppelstreifen, Unter Zugrundelegung eines rechteckigen Streifenquerschnittes ist der Maximaltorsionswinkel, bis zu dem der Kristaüstneifen beanspracht werden darf, um so größer, je geringer die Dicke der Kristallplatten ist. Bei der erfindungsgemäßen Kristallanordnung wird nun der Mäximaltorsdonswinkel nicht durch die Gesamtdicke des Systems, sondern praktisch nur durch die Dicke 9a eines Doppelstreifene bestimmt. Ein aus zwei Doppelstreifen gemäß der Erfindung zusammengesetztes System kann also bei vorgegebenem maximal zulässigem Torsionswinkel mehr als die doppelte Dicke wie 'ein .einfacher' D'oppelstEeifen erhalten. Dementsprechend ergibt sich aber auch eine wesentlich tiefere Eigenfrequenz als bei einem einfachen Doppelstreifen gleicher Belastbarkeit. Ein weiterer Vorteil des erfindungisgemäßen Doppelstreifenpaares mit Zwischenschicht besteht darin;, daß das Widerstandsmoment des Doppelstreifenpaares gegenüber unerwünschten Biegungen, insbesondere senkrecht zur Längsachse und normal zur Plattenebene, bedeutend erhöht wird, während das Tonsionswiderstandsmoment in der Längsachse, das für die auszunutzende Bewegung maßgebend ist, durch das Zusammenfügen mittels der Zwischenschicht praktisch nicht verändert wird.

Dabei ist es nicht erforderlich, daß die Zwischenschicht aus vollem Material besteht, vielmehr können Hohlräume vorhanden sein. Die Zwischenschicht kann aus in Abstand voneinander angeordneten Streifen bestehen, die Zwischenschicht kann aber auch perforiert sein.

Werden, wie es im Rahmen der Erfindung liegt, iao nicht zwei, sondern mehrere Doppelstreifen in der angegebenen Weise durch elastische Zwischenschichten Vierbunden, so läßt sich ohne Gefährdung der Betriebssicherheit die Dicke des Gesamtsystems noch weiter vergrößern und damit die Eigenfrequenz des Systems noch weiter herabsetzen. Denn

auch in diesem Fall ist der maximal zulässige Torsiontswinkel praktisch durch den Maximaltor sionswinkel der einzelnen Doppelstreifen gegeben. Durch Zusammenfügen mehrerer Doppelstreifen wird auch das Widerstandsmomeint ,gegen störende Biegeschwingungen weiter erhöht.

Um die durch das erfindungsgemäße piezoelektrische DoppelstreifenBystem bewirkte elektromechanische Energieumsetzung möglichst günstig ίο Erfinduingsgedanken als zweckmäßig, auch die Halterung durch Zwischenfügung eines Werkstoffes, auszunutzen, erweist es sich nach einem weiteren wie es vorstehend für die Zusammenfügung der Platten untereinander angegeben ist, vorzunehmen. Hierdurch wind erreicht, daß praktisch keine Energieverluste auftreten, zugleich wird vermieden, daß. bei der Deformation, des Kristallsystems im Betrieb mechanische Spannungen in dem Kristall auftreten, die zu elektrischen Sättiguingserscheinungien und 'damit zu nichtlinearen Verzerrungen führen, wie dies der Fall sein würde, wenn die Einspannung· völlig starr vorgenommen werden würde. Durch die elastische- Einspannung des Doppelstreifenpiaares wird zunächst erreicht, daß von der nutzbaren Länge 'der Kristallstreifen, die ausschlaggebend für die Eigenfrequenz ist, praktisch nichts verlorengeht, so daß die gewünschte tiefe Abstimmung· des Kristallsystems erhalten bleibt. Bezüglich der Dicke (bei)der bei der Einspannung verwendeten Zwischenlagen gelten die gleichen Überlegungen wie bei der die Kristallstreifen verbindenden Zwischenschicht. Die Dicke der bei der Halterung verwendeten Zwischenlage wird zweckmäßig so gewählt, daß eine genügende Dämpfung erzielt wird, um störende Eigenresomanzen zu unterdrücken.

Fig. 3 und 4 zeigen in Aufsicht bzw. Seitenansicht die Einispannung eines Doppelstreifenpaares unter Zwischenfügung einer elastischen,, verformbaren Schicht, z. B. aus Polyvinylchlorid. Zugleich läßt die Figur weitere Erfindungsimerkmale bezüglich der Halterung erkennen.

Die dargestellte Halterung eignet sich insbesondere für ein Lautsprecherantriebssystem. Sie kann auch für andere Anwendungszwiecke des Kristallsystems, z. B. als Mikrophon, Tonabnehmer, Beschleunigungsmesser oder Relais, benutzt werden und ist nicht auf das Einspannen von Doppelstreifenpaaren beschränkt, sondern auch für einfache Doppelstreifen brauchbar.

In den Fig. 3 und 4 sind die elektrischen Anschlüsse an die auf den inneren und äußeren Flächen der Kristallelemente in bekannter Weise als leitende Belegungen vorgesehenen Elektroden der Vereinfachung der Darstellung wegen fortgelassen.

Wie ersichtlich, sind die durch eine elastische Zwischenschicht 3 verbundenen Doppelstreifen 1 und 2 an ihrem unteren schmalen Ende unter •60 Zwischenfügung elastischer Zwischenlagen 8 und 9, z. B. aus Polyvinylchlorid, zwischen den als Winkel ausgebildeten Backen ι ο und 11 mittels der Schrauben 12 und 13 eingespannt. Die Winkel 10 und 11 sind auf dem Mittelteil einer Grundplatte 14 befestigt, die sich nach beiden Seiten zu ver- 6g ' jungt. Die Enden der Grundplatte 14 sind mit einer starren Unterlage 15 fest verbunden.

Die Grundplatte ist dabei so gestaltet, daß sie Torsionshewegungen des auf ihr befestigten Kristallsystems ein großes, Bewegungen in jeder anderen Richtung jedoch ein geringes Widerstandsmoment entgegensetzt. Dabei ist sie so- biegsam und dünn ausgebildet, daß sie für Pendelschwingungen um ihre Längsachse tief abgestimmt ist, d. h., die Elastizität der Platten ist so auf die Masse des Kristallsystems einschließlich der Befestigungsmittel abgestimmt, daß die Frequenz der Pendelschwingungen wesentlich unterhalb des dem Kristallsystem zugeführten Netzfrequenzbereichs liegt, also z. B. 5 Hz beträgt, wenn. Schwingungen des Tonfrequenzbereiches -zugeführt werden. Damit die genannten Bedingungen erfüllt werden, kann die Grundplatte z. B. aus geschichtetem Material geringer Dicke hergestellt werden. Als sehr geeignel·., haben sich dünne Preßzellplatten mit Polyvinylchlorid- oder Gummizwischenlagen erwiesen. Der Grundplatte können bei einem Gewicht des Kristallsystems einschließlich Befestigungsmittel um etwa 200 g beispielsweise folgende Abmessungen gegeben werden: Gesamtlänge 20 cm, Länge des Mittelteiles 4 cm, Breite des Mittelteiles 6 cm, Dicke 3 X 0,5 mm.

Die Halterung kann auch einseitig erfolgen, indem z. B. der eine sich verjüngende Teil der Grundplatte fortgelassen wird. Es muß Sorge dafür getragen werden, daß das Widerstandsmoment der einseitigen Halterung hinreichend groß gegenüber den durch die Torsion des Streifensystems ausgeübten Kräften ist. Dabei ist ferner eine Entlastung der Halterung von dem Gewicht der Kristallanordnung zweckmäßig. .

Um 'eine günstige Übertragung der von dem freien Ende des Kristallsystems ausgeführten Torsiansbewegungen, z. B. auf 'eine Lautsprechermembran, zu erzielen, kann die Anordnung ähnlich getroffen werden, wie im Zusammenhang mit der Einspannung und Befestigung des unteren Endes des Kristallsystems bereits ausgeführt ist. Fig. S zeigt eine beispielsweise Ausführuingsform eines piezoelektrischen Lautsprecherantriebssystems in seinem oberen Teil von unten gesehen und Fig. 6 von der Seite gesehen, wobei jedoch in Fig. 6 die Lautsprechermembran fortgelassen ist. Die Halterung des unteren Endes der Kristallanordnung erfolgt dabei zweckmäßigerweise entsprechend Fig. 3 und Fig. 4.

Die in den Fig. 5 'und 6 dargestellte Einspannung des Kristallsystems sowie die Hebelanordmmg zur Nutzbarmachung der von dem Kristallsystem ausgeführten Torsionsbewegungen ist nicht auf Lautsprecherantriebissysteme beschränkt und auch nicht auf die Verwendung von Doppielstreifenpaaren, sondern auch bei einfachen Doppelstreifen anwendbar.

Gemäß, Fig. 5 und 6 sind die durch die elastische Zwischenschicht 3 verbundenen Doppelstreifen 1 und 2 unter Zwischenfügung einer elastischen

Zwischenlage 16 und ij, z.B. aus Polyvinylchlorid; zwischen die als Winkel i8 und 19 ausgebildeten Backen mittels der Schrauben 20 und 2*1 eingeslpannt, wie dies bereits im Zusammenhang mit der Einspannung des unteren schmalen Endes des Kristall'syetemB beschrieben ist. Die Winkel· 18 und 19 sind auf der Platte 22, die sich nach dem einen Ende zui verjüngt, befestigt. An dem verjüngten Ende ist ein. Übertragungsglied 23 mit eimern Verbindungsistreifen 24 vorgesehen, jdas die Bewegungen der Platte 22 auf .die Spitze des Membrankonus 25 das Lautsprechers überträgt. Für die Ausbildung der Platte 22 gelten dieselben Überlegungen, die für 'die Grundplatte bereits im Zusammenhang mit Fig. 3 und 4 entwickelt sind. Wenn .die Platte 22 zum Antrieb einer Lautsprechermembran dienen soll, genügt es, wie in Fig. S und 6 dargestellt, nur das eine sich verjüngende Ende der Platte zur Übertragung der Bewegungsimpulse zu benutzen. Für manche Zwecke kann es vorteilhaft sein, die Platte 22 so 'auszubilden, · daß sich auich das andere Ende der Platte verjüngt und eine Form erhalten wird, wie sie in Fig. 3 für die Grundplatte dargestellt ist. Es können in diesem] Falle die Bewiegungsknpulse von beiden Enden der Platte übertragen werden.

Die Erfindung kann nicht nur bei piezoelektrischen Lautsprechern, sondern auch bei piezoelektrischen Mikrophonen, Tonabnehmern, Beschleunigungsmiessern oder anderen piezoelektrischen Geräten, wo es auf 'eine Tiefabstimmung ankommt, mit Vorteil Anwendung finden.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektromechanische, insbesondere elektroakustische, Umwandlungsvorrichtung aus piezoelektrischen Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere durch Zwischenschichten aus einem durch geringe. Kräfte verformbaren elastischen Werkstoff miteinander verbundene Doppelplatten derart aufeinandergeschichtet sind, daß die von den Doppelplatten ausgeübten Torsionsikräfte. sich addieren.

2. Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Stärke der 4-5 Zwischenschicht zwischen den Doppelplatten, daß sie störende Eigenschwingungen hinreichend dämpft.

3. Umwandlungsvorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht Hohlräume besitzt, insbesondere aus Streifen besteht.

4. Umwandlungsvorrichtung niachÄnsprüchen 1 bis 3, idadurch gekennieichnet, daß die Doppelplatten unter Zwischenfügung eines verform- banen elastischen Werkstoffes, wie er für .die Zwischenschicht verwendet wird, gehalten werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 680 487.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen