DE965541C - Elektromechanisches Umformelement mit zwei durch eine Zwischenschicht aneinander befestigten plattenfoermigen Koerpern aus keramischem piezoelektrischem Material - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisches Umformelement mit zwei durch eine Zwischenschicht aneinander befestigten plattenförmigen Körpern aus keramischem piezoelektrischem Material, das die Eigenschaft einer remanenten Polarisation hat. Solche keramischen piezoelektrischen Stoffe, die polykristallinisch sind, können z. B. aus Erdalkalititanaten, insbesondere Barium- und Strontiumtitanaten, bestehen. Sie weisen, nachdem sie in einem elektrischen Felde polarisiert worden sind, die gewünschten elektromechanischen Umformeigenschaften auf. Nach Entfernung des Feldes verbleibt eine hinreichend große remanente Polarisation, so daß bei der Energieumwandlung ein konstantes vorpolarisierendes Feld fortfallen kann.

Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zum Umwandeln elektrischer Schwingungen in mechanische, insbesondere akustische, oder umgekehrt, mit einem Umformelement der vorgenannten Art.

Bei den üblichen Ausführungsformen der Umformelemente von der Zweiplattenart steht die Polarisationsrichtung senkrecht zu den Plattenoberflächen, an denen die Elektroden für die Signalspannungen angebracht sind, so daß die

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Richtung des elektrischen Signalfeldes mit der Polarisationsrichtung zusammenfällt. Es hat sich aber gezeigt, daß manche der erwähnten Stoffe, insbesondere Bariumtitanat, eine ziemlich starke 5 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 genannten elektrischen Feldes bestimmt ist. Der bei dieser Wechselwirkung auftretende Koppelkoeffizient ist von der Größenordnung von 0,4.

Zweck der Erfindung ist es, aus diesen Stoffen ein Umformelement der vorgenannten Gattung, z. B. einen Torsionsschwinger, herzustellen. Wie" bereits bemerkt, sollen die plattenförmigen Körper einer Vorpolarisation unterworfen werden, was entweder vor oder nach der Befestigung der _ao Platten aneinander erfolgen kann. Falls die Vorpolarisation der Befestigung vorangeht, besteht der Nachteil, daß durch die kleinen Abmessungen der plattenförmigen Körper die Polarisationsschwierigkeiten ziemlich groß sind, verglichen mit denjenigen eines vollständigen Umformelementes. Außerdem können sich beim Zusammenbau der bereits vorher polarisierten Platten zu einem Umformelement Irrtümer hinsichtlich der gegenseitigen Lage der Platten im Zusammenhang mit der bereits angebrachten Polarisationsrichtung ergeben. Schließlich ist es unmöglich, die plattenförmigen Körper in einer vorzugsweise anzuwendenden Weise auf keramischem Wege aneinander zu befestigen, da eine etwaige Vorpolarisation vor der gegenseitigen Befestigung infolge der zur keramischen Verbindung erforderlichen hohen Temperatur größtenteils verlorengehen würde.

Im anderen Fall, wo eine Vorpolarisatipn Anwendung findet, nachdem die beiden plattenförmigen Körper miteinander verbunden worden sind, treten nicht die genannten, sondern andere Nachteile auf. Wenn nämlich die Platten in einander entgegengesetzten Richtungen polarisiert werden müssen, bereitet dies praktische Schwierigkeiten wegen der sehr geringen Plattendicke von einigen zehntel Millimetern sowie wegen ihres sehr geringen gegenseitigen Abstandes. Hierdurch entsteht die Gefahr eines Überschlags zwischen den Elektroden, an die die Polarisationsspannung angelegt wird und die sehr dicht beieinander liegen. Die Erfindung bezweckt, diesen Nachteil zu vermeiden und somit ein Umformelement zu schaffen, dessen Herstellung und Polarisation leicht, schnell und einwandfrei erfolgen kann.

Das elektromechanische Umformelement nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Platten in einer Ebene parallel zu einer der Kanten der gleichen Richtung polarisiert und mit

verhältnismäßig niedrig ist, verglichen mit der des Materials der plattenförmigen Körper, wobei die Dicke der Zwischenschicht im Zusammenhang mit dem Verhältnis der genannten Dielektrizitäts-Konstanten derart gewählt ist, daß praktisch keine Nebenschluß wirkung auftritt, wenn ein Potentialunterschied an zwei räumlich dicht benachbarten Elektroden beiderseits der Zwischenschicht und ein gleich großer entgegengesetzter Potentialunterschied an den beiden anderen Elektroden liegt. Da die Körper in der gleichen Richtung polarisiert sind, ergibt die Weise, in der die Polarisation erfolgt, hinsichtlicti der genannten Überschlagserscheinungen keine Schwierigkeiten. Da aber die Signalfelder in den Platten in entgegengesetzter Richtung verlaufen müssen, würde hierdurch der Nachteil entstehen, daß die Signalspannung ebenfalls an dicht benachbarten Elektroden beiderseits der Zwischenschicht liegt. Hierdurch kann eine ziemlich starke Nebenschlußwirkung zwischen den Elektroden der beiden Platten auftreten, was eine Verringerung des Koppelkoeffizienten bedeutet. Dieser Nachteil ist beim Umformelement nach der Erfindung durch das Einbringen der erwähnten Zwischenschicht vermieden, und zwar auf eine praktisch durchführbare Weise, da die verhältnismäßig niedrige Signalspannung nicht zu einem unbrauchbaren Wert der Zwischenschichtdicke führt, im Gegensatz zu dem Fall, daß man den Überschlag infolge der verhältnismäßig hohen Polarisationsspannung ebenfalls durch Anordnung einer besonderen Zwischenschicht vermeiden möchte.

Die Dicke der Zwischenschicht ist durch die Erwägung bedingt, welches Maß der Nebenschlußwirkung noch als zulässig erachtet wird, sowie durch die maximal auftretende Amplitude der Signalspannung und das \⁷erhältnis der dielekirischen Konstanten des Plattenmaterials und des Materials der Zwischenschicht. Es empfiehlt sich, dieses Verhältnis wenigstens gleich 10, vorzugsweise höher als 100, zu wählen.

Vorzugsweise besteht die Zwischenschicht ebenfalls aus einem keramischen, insbesondere piezoelektrischen keramischen Material, das mit den plattenförmigen Körpern zu einer Einheit zusam-

Elektroden versehen sind, die in der Polarisationsrichtung längs der Plattenränder angebracht sind, und daß die Zwischenschicht aus einem Material mit einer Dielektrizitäts - Konstante besteht, die Ein besonderes Merkmal einer Vorrichtung zum Umwandeln elektrischer Schwingungen in mechanische, insbesondere akustische, oder umgekehrt, mit einem Umformelement nach der Erfindung besteht darin, daß die elektrische Signalspannung einem jeden längs der Plattenränder angeordneten Satz von Elektroden derart zugeführt bzw. entnommen wird, daß sie an den beiden Elektrodensätzen entgegengesetzt gerichtet ist.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung in Gestalt einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. ι zeigt schematisch einen Teil eines Plattenspielers mit einer Schalldose, bei der das Umformelement nach der Erfindung verwendet wird;

Fig. 2 zeigt eine elektrische Schaltung mit einem solchen Umformelement;

Fig. 3 ist eine Ansicht des Umformelementes selbst, aus der die Lage der Elektroden klar hervorgeht.

In Fig. ι ist mit ii ein Plattenteller bezeichnet, der durch einen Elektromotor 12 mit Stromzuführungen 13 und 14 angetrieben wird. Auf dem Plattenteller 11 liegt eine Schallplatte 16. Weiter enthält die Vorrichtung den Arm 17 einer Schalldose, der drehbar im Fuße 18 gelagert ist, so daß eine Nadel 19 den Rillen der Platte 16 folgen kann. Ein keramisches piezoelektrisches Umformelement 10 nach der Erfindung ist im Gehäuse 20 der Schalldose mit Hilfe eines Bügels 21 befestigt, der seinerseits mittels Schrauben 22 und 23 mit dem Gehäuse 20 verbunden ist. Ein Ende des Elementes 10 wird mittels eines Klemmstückes 24 an einem Arm des Bügels 21 gehalten. Am anderen Ende des Elementes 10 ist ein weiteres Klemmstück 25 mit einem Stift 26 befestigt, 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 durch den Pfeil 27 angedeuteten Richtungen, die von den Tonaufzeichnungen der Rillen in der Platte 16 herbeigeführt werden, eine Torsion des Elementes 10 verursachen. Die Klemmstücke 24 und 25 bestehen zweckmäßig aus nichtleitendem Material, um die elektrische Charakteristik des Elementes 10 nicht zu beeinflussen. Das Element 10 stellt einen Torsionsschwinger dar und besitzt zwei Platten 30, 31 aus keramischem piezoelektrischem Material mit ziemlich hoher Dielektrizitäts-Konstante, z. B. aus Bariumtitanat. Die Platten 30 und 31 haben je eine remanente Polarisation in im wesentlichen gleicher Richtung. In der dargestellten Vorrichtung verläuft die Polarisation in der Längsrichtung der Platten. Uriter diesen Umständen und unter Verwendung von einem der vorgenannten keramischen Stoffe, der in richtiger Weise polarisiert worden ist, besteht eine gegenseitige Kopplung zwischen einem elektrischen Signalfeld etwa in der Ebene der Platte senkrecht zur P'olarisationsriehtung einerseits und einer mechanischen Scherung etwa in der Plattenebene andererseits.

Das Element 10 besitzt außerdem eine mittlere Schicht 32 aus einem Material mit verhältnismäßig niedriger Dielektrizitäts-Konstante zwischen deri Platten 30 und 31. Diese Schicht verbindet die Platten 30 und 31 mechanisch und besteht zweckmäßig aus einem keramischen Material, das mit den Platten 30 und 31 gebrannt ist, um die Platten mechanisch zu einem Ganzen zusammenzufügen.

Es sei bemerkt, daß zwar eine keramische Bindung der Platten günstig ist, aber auch andere Verbindungsarten anwendbar sind. Es können z. B.

die Platten 30, 31 mit der mittleren Schicht 32

durch Kitt verbunden sein. ,

Das Element 10 ist mit Elektroden 35, 36, 37 und 38 versehen, wobei die Elektroden 36, 37 in einem geeigneten Abstand voneinander in der vorgesehenen Signalfeldrichtung an der Platte 31 angebracht sind. Insbesondere verläuft die Elektrode 36 an der einen Längskante der Platte 31, die Elektrode 37 an der anderen Längskante. Beide Elektroden erstrecken sich über die ganze Länge der Platte. Ähnliche Elektroden 35 und 38 sind an der Platte 30 vorgesehen.

Fig. 2 zeigt ein Mikrophon 40, das über einen Verstärker 41, einen Schalter 42 und Leitungen 43 und 44 mit den Elektroden des Elementes 10 verbunden werden kann, wobei die Leitung 44 mit den Elektroden 36, 38 und die Leitung 43 mit den Elektroden 35, 37 verbunden ist. Die Leitungen 43,44 können mittels des Schalters 42 auch über einen Verstärker 47 mit einem Lautsprecher 46 verbunden werden, wofür letzterer in die in Fig. 2 gestrichelt angedeutete Lage gebracht wird.

Beim Betrieb des Elementes 10 nach Fig. 2 entweder als Schallplattenabtaster oder als Rillenschneider bestehen Potentialunterschiede zwischen den Elektroden der Platten 30 und 31, die entsprechende Signalfelder zwischen den Elektroden ergeben. Ihre Richtungen verlaufen etwa entgegengesetzt in einander gegenüberliegenden Teilen der beiden Platten 30 und 31.

Betrachtet man die Potentialunterschiede zwischen den Elektroden der Platten 30 und 31, so wird klar, daß auch verhältnismäßig große Potentialunterschiede zwischen einer Elektrode der einen Platte und der nächstgelegenen Elektrode der anderen Platte bestehen. Es liegt z. B. die volle zwischen den Leitungen 43 und 44 bestehende Spannung zwischen den Elektroden 35, 36 und zwischen den Elektroden 37, 38. Wären nur die Platten 30 und 31 vorhanden, so würde sich eine starke Beeinträchtigung der Wirkungsweise ergeben, da eine sehr unerwünschte Nebenschlußwirkung in der Vorrichtung auftreten würde. Die aus einem Material mit ziemlich niedriger Dielektrizitäts-Konstante bestehende mittlere Schicht 32 vermeidet bzw. mindert beträchtlich diese unerwünschte Nebenschluß wirkung.

In Fig. 3 sind Teile, die denjenigen der Fig. 1 und 2 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Elektroden 35, 36, 37 und 38 sind derart dargestellt, daß sie sich außerdem über die Kanten der Platten 30 und 31 erstrecken.

Wenn das Verhältnis zwischen der Breite 0 und der Dicke d des Gebildes größer als 1 ist, d. h. mindestens etwa 2V2 und vorzugsweise 3V2 oder mehr, so zeigt sich, daß der Koppelkoeffizient größer ist als bei den bekannten Drehschwingern der Zweiplattenbauart gleicher Abmessungen.

Um den schädlichen Einfluß der Klemmorgane. 24, 25 in Fig. ι möglichst zu verringern, wählt man zweckmäßig die Länge 1 (Fig. 3) wenigstens zweimal so groß wie die Breite b des Elementes. Das Verhältnis zwischen dem Überlappungsabstand bi der Elektroden 35, 36, 37 und 38 und der Gesamtdicke d des Elementes 10 ist derart gewählt, daß nur diejenigen Teile der Platten 30 und 31 abgeschirmt sind, an denen die Größe der elektromechanisch wirksamen Spannungskomponente unbedeutend ist. Es wird also etwas von dem erwähnten Verhältnis zwischen b und d abhängig sein und

zweckmäßig bei etwa 0,6 liegen, wenn b : dta 2,5, und bei etwa o,8, wobei b : d ä; 5 oder mehr beträgt.

Manchmal kann es erwünscht sein, die Abmessungen anders zu wählen, wobei die Abmessung b sogar gleich der Abmessung 1 oder kleiner sein kann.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Elektromechanisches Umformelement, das zwei durch eine Zwischenschicht aneinander befestigte plattenförmige Körper aus keramischem piezoelektrischem Material mit der Eigenschaft einer remanenten Polarisation enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten in einer Ebene parallel zu einer der Kanten in der gleichen Richtung polarisiert und mit Elektroden versehen sind, die in der Polarisationsrichtung längs der Plattenränder angebracht sind, und daß die Zwischenschicht aus einem Material mit einer Dielektrizitäts-Konstante besteht, die verhältnismäßig niedrig ist, verglichen mit der des Materials der plattenförmigen Körper, wobei die Dicke der Zwischenschicht im Zusammenhang mit dem Verhältnis der genannten Dielektrizitäts-Konstanten derart gewählt ist, daß praktisch keine Nebenschlußwirkung auftritt, wenn ein Potentialunterschied an zwei räumlich dicht benachbarten Elektroden beiderseits der Zwischenschicht und ein gleich großer entgegengesetzter Potentialunterschied an den beiden anderen Elektroden liegt.
2. 2. Elektromechanisches Umformelement nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Dielektrizitäts-Konstanten wenigstens gleich ι o, zweckmäßig größer als 100 ist.
3. 3. Elektromechanisches Umformelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht ebenfalls aus einem keramischen, insbesondere piezoelektrischen keramischen Material besteht, das mit den plattenförmigen Körpern zu einer Einheit zusammengesintert ist.
4. 4. Vorrichtung zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische Schwingungen, insbesondere akustische Schwingungen, oder umgekehrt, mit einem Umformelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Signalspannung einem jeden längs der Plattenränder angeordneten Satz von Elektroden derart zugeführt bzw. entnommen wird, daß sie an den beiden Elektrodensätzen entgegengesetzt gerichtet ist.

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

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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