DE965540C - Elektromechanisches Umformelement mit einem Koerper aus keramischem piezoelektrischem Material - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 13. JUNI 1957

N 55351^ 142 s

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisches Umformelement, das einen Körper aus keramischem piezoelektrischem Material mit remanenter Polarisation enthält. Solche keramischen piezoelektrischen Stoffe, die polykristallinisch sind, können z. B. aus Erdalkalititanaten, insbesondere Barium- und Strontiumtitanaten bestehen.- Sie haben die gewünschten elektromechanischen Umformeigenschaften, wenn sie in einem elektrischen Feld polarisiert worden sind. Nach Entfernung des Feldes verbleibt eine hinreichend große remanente Polarisation, so daß sich bei der Energieumwandlung em konstantes vorpolarisierendes Feld erübrigt.

Es hat sich gezeigt, daß manche der erwähnten Stoffe, insbesondere Bariumtitanat, eine ziemlich starke gegenseitige Kopplung zwischen einem elektrischen Signalfeld, das senkrecht zur Richtung der remanenten Polarisation steht, und einer mechanischen Scherung in einer Ebene aufweisen, die durch die Richtung der- remanenten Polarisation und des erwähnten elektrischen Feldes be-

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stimmt wird. Der bei dieser Wechselwirkung auftretende Koppelkoeffizient ist von der Größenordnung von 0,4.

Die Erfindung bezweckt, aus diesen Stoffen ein Umformelement nach Art eines Torsionsschwingers herzustellen.

Das eilektromeehanische Umformelement gemäß dar Erfindung weist das Merkmal auf, daß der Körper aus einem Hohlzylindar mit verhältnismäßig breitem Längsschlitz und aus einem Material hoher Dielektirizitäts-Konstanite besteht, der überall in der gleichen Richttumg parallel zu seiner Achsenrichtung vorpolarisiert und an den Schlitzrändern mit Elektroden für die Signalspannungen versehen ist, die sich ebenfalls in Richtung der Zylinderachse erstrecken, während der Schlitz zwischen diesen Elektroden mit einem Weg verhältnismäßig hoher Impedanz überbrückt ist.

Diese letztgenannte Maßnahme verhütet, daß eine unzulässige Menge Signalenergie direkt von einer Elektrode' auf die andere· über geilt und damit ein unnötiger Energieverlust im Umformelement auftritt. Das Element nach der Erfindung hat weiter den Vorteil, daß der Körper mit verhältnismäßig hoher Dielekitrizitäts-Konstante aus einem einzigen Stück hergestellt und in einar einzigen Richtung vorpolajrisieirt werden kann. Auißerdlem ist es vorteilhaft, daß bei dieser Elektrodenanordnung die Signalfelder im Dielektrikum des Zylinders überall die gleiche Richtung haben.

Da als piezoelektrisches Material ein solches mit großer Dielektrizitäts-Konstante gewählt ist, kann der Weg verhältnismäßig hoher Impedanz aus der Luftstrecke zwischen den Elektroden bestehen. Es ist aber auch möglich, den Weg verhältnismäßig hoher Impedanz aus einem festen Körper herzustellen, der den fehlenden Teil des zylindrischen Körpers ausfüllt und aus einem, z. B. keramischen Material mit verhältnismäßig niedriger Dielektrizitäts-Konstante besteht. Gegebenenfalls kann dieses Material piezoelektrische Eigenschaften haben, obwohl davon bei dar Umformung kein Gebrauch gemacht wird.

Der Ersatz der Luftstrecke durch einen festen Körper mit den genannten Eigenschaften hat den Vorteil, daß der Uniformkörper als vollständiger Hohlzylinder hergestellt werden kann. Dies ist in mechanischeir Beziehung beim Betrieb zweckmäßiger als die Verwendung eines Körpers mit einem Liuftspalt, da die zusammenzusetzenden Teile in diesem Kali eine mechanische Einheit bilden. Dieser Vorteil kommt am stärksten zum Ausdaruck, wenn die beiden Teile des Körpers auf keramischem Wege zusammengesintert werden, obwohl irgendein anderes Befestigungsmittel, wie z. B. Kitt, ebenfalls verwendbar ist.

Die Länge der Strecke verhältnismäßig hoher Impedanz ist durch das gerwünschte Verhältnis der Impedanzen dieser Strecke und derjenigen des Materials mit hoher Dielektrizitäts-Konstante sowie durch die maximal auftretende Amplitude der Signalspannung bestimmt. Es empfiehlt sich, das Verhältnis der Dielektrizitäts-Konsitanten beider Wiege wenigstens gleich io, vorzugsweise höher als ioo, zu wählen, wobei, wie bereits erwähnt, die Dielekfcrizitäts-KcHistante des Umfoi-mmatarials groß gegenüber derjenigen von Luft sein soll.

Die Erfindung wird an Hand der Figuren der Zeichnung mittels einiger Ausführiungsbeispiele näher erläutert.

Fig. ι zeigt schematisch einen Teil eines Plattenspielers mit einer Schalldose, bei der das Umformeliement nach der Erfindung ziur Verwendung kommt;

Fig. 2 zeigt eine elektrische Schaltung für das Umformelement; die

Fig. 3, 4 und 5 zeigen einige Ausführungsfoeispiele des Umfbrmetements.

In Fig. ι ist mit 11 ein Plattenteller bezeichnet, der von einem Elektromotor 12 .mit Stromzufuhr rungen 13 und 14 angetrieben wird. Auf dem. Plattenteller 11 liegt eine Schallplatte 16. Weiter enthält die Vorrichtung den Arm 17 einer Schalldose, der drehbar in einem Fuß 18 gelagert ist, so daß eine Nadel 19 dien Rillen der Platte 16 folgen kann.

Das keramische piezoelektrische Umformelement 10 nach der Erfindung ist im Gehäuse 20 der Schalldose mit Hilfe eines Bügels 21 und dieser mit Schrauben 22 .und 23 am Gehäuse 20 befestigt. Ein Ende des Elements 10 ist mittels eines Klemmstücks

24 an· einem Arm des Bügels 21 angebracht. Am anderen Ende des Elements 10 ist ein Klemmstück

25 mit einem Stift 26 angeordnet, der im Bügel 21 gelagert ist. Die Nadel 19 ist an einem Gebilde befestigt, das das Klemmstück 25 und den Stift 26 trägt, so daß Hin,- und Herbewegungen der Nadel in dien von dem Pfeil 27 angedeuteten Richtunigen, die von den Schallaufzeichnungen der Platte 16 herbeigeführt werden, eine Torsion des Elements 10 verursachen. Die Klemmstücke 24 und 25 bestehen zweckmäßig aus nichtleitendem Material, um die elektrische Charakteristik des Elements 10 nicht zu beeinflussen.

Das Element 10 stellt einen Drehschwinger dar und enthält einen Körper aus keramischem piezoelektrischem Material mit hoher Dielektrizitäts-Konstante in Form eines Teiles 30, der sich über den größten Teil eines Zylinderumfangs "erstreckt. Das Element 10 enthält ferner einen zweiten Zylinderteil 31 altts einem Material mit verhältnismäßig niedriger Dielektrizitäts-Konstante, der den Rest des Zylinders bildet. Das Material dies Zylinderteiles 30 besitzt überall in der gleichen Richtung parallel zur Achsenrichtiung dies Zylinders eine remanenite Vorpolarisation und weist eine Kopplung zwischen einem elektrischen Signalfeld längs dies Zylinderumfangs in einer Ebene senkrecht zum Zylinder und einer mechanischen Scherung in Ebenen parallel zur Zylinderachse auf.

Die Elektroden 33 und 34 sind an den längs laufend'en Rändern dies Körpers 30 angebracht. Es liegt also eine niiedirigie Impedanz zwischen: den Elektroden 33 und 34, da das Material des Teiles 30 eine ziemlich hohe Dielektrizitäts-Konstante besitzt. Hingegen weist das Teil 31 eine ziemlich hohe Impedanz zwischen den Elektroden 33 und 34

Arbeitet das Element io nach Fig. 2 als Schallauf, da dieses eine ziemlich niedrige Dielektrizitäts-Konstante hat.

In Fig. 2 ist das Element 10 nach Fig. 1 lediglich in Form einer Endansicht dargestellt; in den beiden Figuren sind entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Zyliinderteil 30 besteht vorzugsweise aus einem der vorgenannten Bariumtitanatstoffe. Ein solches Material hat eine hohe Dielektrizitäts-Konstante.

Der Zylinderteil 31 ist nur vorgesehen, um einen mechanisch ein Ganzes bildenden Zylinder zu erhalten, obgleich die beiden Zylinderteile 30 und 31 in elektrischer Beziehung sehr verschieden sind, da der Zylinderteil 31 aus schwach dielektrischem Material besteht und nicht elektromechanisch empfindlich zu sein braucht. Der Teil 31 kann festgekittet werden, nachdem der Teil 30 polarisiert ist und die Elektroden 33, 34 auf die Ränder des Zylindierteiies' 30 aufgebracht worden sind¹. Fig. 2 zeigt im übrigen ein Mikrophon 40, das über einen Verstärker 41, einen Schalter 42 und Leitungen 43, 44 mit den Elektroden 33, 34 des Elements 10 verbunden werden kann. Die Leitung 43 ist mit der Elektrode 33, die¹ Leitung 44 mit der Elektrode 34 verbunden. Die Leitungen 43, 44 können auch mittels des Schalters 42 über einen Verstärker 47 mit einem Lautsprecher 46 verbunden werden, wofür der Schalter 42 in die gestrichelte Lage nach Fig. 2 zu legen ist.
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plattenabtaster oder als Rillen schnei dier, so bestehen zwischen den Elektroden 33 und 34 Potentialunterschiede, die entsprechende Signalfelder im zylindrischen Teil 30 ergeben. Diese Signalfelder haben in jedem Augenblick die gleiche Richtung am Umfang des ganzen Zylindierteileis 30.

Es ist klar, daß infolge: der Potentialuntersehiede an den Elektroden 33 und 34 die gleichen Signalfel.der auch, im Zylinderteil 31 auf treten. Diese sind aber unerwünscht, da sie im allgemeinen die Wirkung des Elements 10 beeinträchtigien. Um diesen Einfluß so gering wie möglich zu halten, besteht der Zylinderteil 31 zweckmäßig aus einem Material mit einer sehr niedrigen Dielektrizitäts-Konstante, obgleich bei der Wahl dieses Materials auch der Anforderung Rechnung getragen werden soll, daß die Zylinder teile auch beim Betrieb eine mechanische Einheit bilden müssen. Dies hat man in der Hand durch passende Wahl der Elastizitätsmodulen der Stoffe, aus denen die Zylinderteile bestehen.

Fig. 3 zeigt ein Element nach der Erfindung, das demjenigen nach d;i Fig. 1 /und 2 entspricht, wobei entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. So besitzt das Element 10 nach Fig. 3 einen Teil 30, der bis auf den weggelassenen Teil 31 (Fig. 1 und 2) ein zylindrisches Organ bildet. Abgesehen davon, entspricht die Wirkungsweise der Ausführungsform nach Fig. 3 im wesentlichen derjenigen der Aus führ ungs form nach den Fig. 1 undi 2. Da der Zylinderteil 31 in der Ausführungsform nach Fig. 3 fehlt, hängt die Impedanz zwischen den Elektroden 33 und 34 nur mehr von dem Material des Zylinderteiles 30 ab.

Bei der Ausführtungsform nach Fig. 4 hat der Zylinderteil 30 die Form eines nahezu ganz geschlossenen Zylinders, während der restliche Zylinderteil, d:. h. ein enger Luftspalt zwischen den Elektroden 33 und 34, sehr klein sein kann, wenn die Dielektrizitäts-Konstante des Materials 30 sehr viel höher als diejenige»von Luft ist.

Fig. 5 entspricht im allgemeinen ebenfalls der Ausführungsform der Erfindung gemäß den Fig. 1 und 2, wobei, entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und entsprechende Elektroden; zusätzlich Indizes tragen.

•In Fig. 5 sind Elektroden 33' ,und 33" innen und außen an der einen Kante des Zylinderteiles 30 angebracht. In gleicher Weise sind Elektroden 34' und 34" an der anderen Kante des Zylinderteiles 30 angeordnet. Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß der ganze Zylinder einschließlich des Teiles 31 als Ganzes gesintert werden kann. Hierbei entsteht eine keramische Bindung zwischen den Teilen, was ein vollständiges Organ aus keramischem Material ergibt.

Die Tatsache, daß sich die Elektroden in diesem Fall an der Außenseite und an der Innenseite des Zylinders befinden, beeinträchtigt das gewünschte Feldbild¹ im Zylinder fast gar nicht, da sämtliche Teile des Signalfeldes im wesentlichen in Richtung des Umfangs des Zylinderteiles 30 in Ebenen senkrecht zur Zylinderachse verlaufen.

Gewünsehtenfalls kann auch entweder der innere oder der äußere Elektrodensatz in Fortfall kommen.

Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Elektromecbanisehes Umformelement, das einen Körper aus keramischem piezoelektrischem Material mit remanenter Polarisation enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus einem Hohlzylinder mit verhältnismäßig breitem Längsschlitz und aus einem Material hoher Dielektrizitäts-Konstante besteht, der überall in der gleichen Richtung parallel zu seiner Achsenrichtung vorpolarisiert und an den Schlitzrändern mit Elektroden für die Signalspannungen versehen ist, die sich ebenfalls in Richtung der Zylinderachse erstrecken, während der Schlitz zwischen diesen Elektroden mit einem Weg verhältnismäßig hoher Impedanz überbrückt ist.-

2. Elektrotnechanisches Umformelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Weg verhältnismäßig hoher Impedanz aus einem festen Körper besteht, der den fehlenden Teil des zylindrischen Körpers ausfüllt und aus einem z. B-. keramischen Material mit verhältnismäßig niedriger Dielektrizitäts-Konstante hergestellt ist.

3. Elektromechanisches Umformelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Di.lektrizitäts-Konstanten mindestens 10, vorzugsweise mehr als 100, beträgt.

4· Elektromechanisches Umformelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper eine mechanische Einheit bilden.

5. Elektromechanisches Umformelement nach Anspruch 4, bei dem die Körper beide aus keramischem Material bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Körper zusammengesintert sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Physical Review, Bd. 73, S. 1398, 1948; Mason, Piezoelectric Crystals and¹ their Application to Ultrasonics, S. 295, 296.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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