DE966636C - Geraet zur Umformung mechanischer Schwingungen in elektrische und umgekehrt, insbesondere Abtastgeraet - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 29. AUGUST 1957

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Die wechselseitige Wandlung von mechanischen Schwingungen fester Körper und elektrischer Schwingungen nach dem piezoelektrischen Prinzip ist bekannt und wird beispielsweise bei Körperschalltastern und bei Tonsc'hiebern und Tonabnehmern von ■· Schallplattenaufnehme- und Wiedergabegeräten angewandt. Solche Geräte haben in den üblichen Ausführungen den Nachteil, daß die am piezoelektrischen Körper auftretenden Kräfte, die bei in der Praxis vorkommenden stärkeren Stößen bzw. Beschleunigungen wirken, die Bruchgrenze des piezoelektrischen Körpers überschreiten und dadurch diesen zerstören können.

Ist beispielsweise das die mechanischen Schwingungen übertragende Konstruktionsteil fest mit einem Ende des piezoelektrischen Körpers verbunden, während dessen anderes Ende im Gehäuse befestigt ist, so führt ein Stoß gegen das die mechanischen Schwingungen übertragende Konstruktionsteil leicht zum Zerbrechen des piezoelektrischen Körpers. Wird andererseits beispielsweise ein piezoelektrischer Körper an einem Ende im Gehäuse befestigt und am anderen, freien Ende mit einem Körper merklicher Masse versehen, so daß bei Beschleunigung des Ganzen die Trägheitskräfte dieser Masse auf den piezoelektrischen Körper wirken, so können beim Fallenlassen und Aufschlagen des Gerätes oder bei stärkerem Stoß gegen das Gerät die am piezoelektrischen Körper auftretenden Beschleunigungskräfte diesen zerstören.

In solchen Geräten besteht der piezoelektrische Körper vorzugsweise aus einem sogenannten Bieguttgs- oder Torsionselement. Da die Bruchgrenze bei den in Form von Platten oder Stäben

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angewandten piezoelektrischen Körpern bei Biegung oder Torsion durc'h kleinere Kräfte leichter überschritten wird als bei Dehnung (oder Kompression), ist es naheliegend, piezoelektrische Dehnungselemente an Stelle der piezoelektrischen Biegungs- oder Torsionselemente zu verwenden. Eine Platte oder ein Stab ist aber nur gegenüber Druckkräften, welche genau in seiner Längsrichtung angreifen, widerstandsfähig. Den Druck

ίο normal zur Plattenebene anzuwenden, kommt nur bei großen Kräften, z. B. Druckmeßkammern, in Frage. Bei Körperschalltastern und Tonabnehmern bzw. -sdhreibern sind aber die Kräfte wesentlich kleiner und die Bewegungsamplituden so groß, daß sie durch Veränderungen der Dicke einer Platte nidht erzielbar sind. Die auftretenden Kräfte genau parallel zur Längsrichtung des Streifens bzw. der Platte zu lenken, bietet aber erhebliche konstruktive und fabrikatorisehe Schwierigkeiten. Wohl kann die erforderliche Präzision durch Erhöhung der Ouerdimensionen des Streifens bzw. der Platte herabgesetzt werden, jedoch steigt dann seine elektrische Impedanz erheblich und erschwert die elektrische Anpassung an den mit dem Apparat verbundenen Stromkreis. Diese Anpassung kann nur durch einen erheblichen technischen Aufwand, kostspielige Anpassungsübertragung oder Aufbau des Streifens bzw. der Platte aus einer größeren Anzahl von miteinander elektrisch parallel geschalteten Einheiten erzielt werden.

Schutzvorrichtungen, welche die Verformungsamplituden des piezoelektrischen Körpers begrenzen, sind bekannt, beispielsweise Anschläge oder Einrichtungen mit Federn, wobei der piezoelektrische Körper bei Überschreitung der zulässigen Kräfte von seinen Lagern abgehoben wird, also· den zu großen Bewegungsamplituden auf diese Weise als Ganzes ausweicht. Derartige Einrichtungen sind entweder wenig zuverlässig oder kompliziert und häufig auch störanfällig.

Bei dem erfindungsgemäßen Gerät, durch das die Nachteile dar bisherigen Geräte dieser Art in vollem Umfange beseitigt werden, sind zwei in an sich bekannter Weise aus einer piezoelektrisch wirksamen und einer piezoelektrisch unwirksamen Platte bestehende, auf Druck und Verbiegung beanspruchbare Kristallsysteme so· durch Vorspannung, d. h. mechanische Mittel, und durch Orientierung zusammengehalten, daß deren Ladungen, welche durch eine Axialverschiebung des Tastorganes entstehen, in ihren Vorzeichen gleich sind. Hierbei wird ausdrücklich auf die Anordnung von mechanischen Kopplungsmitteln, wie Hebelanordnungen, Gelenke, nachgiebige Kopplungsteile u. dgl., sowie auf die Begrenzungs- oder sonstige Maßnahmen zum Schütze des piezoelektrischen Körpers verzichtet.

Die Bruchsicherheit das piezoelektrischen Körpers wird durch entsprechende Dimensionierung des die Schwingungen aufnehmenden bzw. übertragenden Elementes und der sonstigen dazugehörigen Konstruktionsteile, wie Taster u. dgl., erzielt.

Der piezoelektrische Körper und das mit ihm starr verbundene Element sind mindestens im Bereich ihrer Berührungsfläche plattenförmig ausgebildet. Vorzugsweise sind die beiden Plattenfiächen derart miteinander verkittet, so daß eine starre Verbindung entsteht, während die piezoelektrisch unwirksame Platte unmittelbar, d. h. ohne Gelenke, Hebel od. dgl., starr mit dem die mechanischen Schwingungen übertragenden Organ, beispielsweise dem Antaststift eines Körperschalltasters oder dem Nadelhalter eines Tonabnehmers oder auch Tonsehreibers, in Verbindung steht.

Gemäß einer besonderen Ausbildungsform der Erfindung liegt dieser die Erkenntnis zugrunde, daß der piezoelektrische Körper durch die auftretenden Scihwingungsbewegungen sowohl auf Elongation sowie auf Biegung beansprucht wird. Die Ausbildung der Platte bzw. die Anordnung in Zusammenwirkung mit den die Schwingungsbewegungen übertragenden Elementen, ist dabei so getroffen, daß sich die piezoelektrischen Effekte sowohl aus der Elongation als auch aus der Biegung summieren.

Das erfindungsgemäße Gerät stellt also· auf Grund der Eigenschaft, auch als Längsschwinger zu wirken, ein überraschend einfaches Mittel dar, das auch bei kleinsten Beanspruchungen ein Maximum von Empfindlichkeit gewährleistet.

Als wesentliches Merkmal hat dabei zu gelten, daß die Ladungen, die durch eine Längsbeanspruchung des Kristalls, d. h. durch eine Axialverschiebung des Tastorgans, entstehen, das gleiche Vorzeichen aufweisen derjenigen Ladungen, die sich bei Biegungsbeanspruchung bilden. Dann nämlich addieren sich die Ladungen. Erreicht wird dies dadurch, daß zwei der oben genannten Kristallsysteme durch Vorspannung, d.h. durch mechanische Mittel, zu einer ganz bestimmten Durchbiegung gezwungen sind. Es können also sowohl Drude- wie Zugbeanspruchungen nutzbar gemacht werden.

Bekanntlich spricht der einzelne Piezokristall aus i°5 Seignettesalz nur auf Druck an. Die sogenannten Curie-Bieger, die aus zwei Kristallplatten bestehen, reagieren nur auf Biegung und keinesfalls auf Druck in der Richtung der Plattenebene. Nur bei Biegung zu irgendeiner Ebene im Verhältnis zu den Achsen ergeben sie eine Ladung.

Um die mechanische Festigkeit derartiger Bieger zu erhöhen und um ihre Herstellung zu vereinfachen, ist vorgeschlagen worden, eine der beiden Kristallplatten durch eine piezoelektrische unwirksame, aber aus einem widerstandsfähigen Material bestehende Platte zu ersetzen. Ein solches System kann ebenfalls nur als Biegeschwinger, aber nicht als Längsschwinger nutzbar gemacht werden. Wollte man mit diesem etwa versuchen, im Sinne der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Gerätes Druckbeanspruchungen zu registrieren, so· würde man keine Addition, sondern eine Subtraktion der Spannungen erhalten, da der Bieger nicht so gepolt ist, wie es in dem Gerät nach der Erfindung der Fall ist und auch nicht durch Vorspannung zu

einer ganz bestimmten Drehbiegung gezwungen wird.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt
Fig. ι einen Körperschalltaster zum Abtasten und Untersuchen von Schwingungen im Maschinenbau, in der Feinmechanik sowie zu Untersuchungen im Bauwesen und zum Abtasten der Körperschallsdhwingungen im lebenden Organismus als Herzsdhallmikrophon und zur Perkussion sowie zur Auskultation,

Fig. 2 einen Längsschnitt des Gerätes gemäß Fig. i,

Fig. 3 eine besondere Ausführungsfo<rm des Taststiftes.

Als Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Körperschalltaster zum Abtasten und Untersuchen von Schwingungen im Maschinenbau, in der Feinmechanik (beispielsweise zur Untersuchung der Schwingungen in.Uhren) sowie zu Untersuchungen im Bauwesen, weiterhin zur Untersuchung und zum Abtasten der Körperschallschwingungen im lebenden Organismus (als Herzschallmikrophon), zur Auskultation und zu Perkussion in Fig. 1 in der Draufsicht und in Fig. 2 im Längsschnitt dargestellt. Als abtastendes Organ ist ein Stift 1 vorgesehen, dessen freies Ende je nach der Art des abzutastenden Objektes spitz oder abgerundet ausgebildet oder nach Fig. 3 mit einem Teller 2 versehen ist. Dieser Stift 1 überträgt die Körperschallschwingungen auf den starr mit ihm verbundenen Bügel 3, dessen beide Schenkel mit Platten 4 und 5 aus piezoelektrischem Material belegt sind.

Der Bügel 3 kann aus Metall bestehen und zugleich je eine Elektrode der piezoelektrischen Platten 4 und 5 bilden. Die beiden anderen Elektroden sind mit 6 und 7 bezeichnet, der Halterungsgriff mit 8. Das Anschlußkabel 9 steht mit seinem Mantel mit dem Bügel 3 und mit seiner Seele mit den Elektroden 6 und 7 in Verbindung. Die Wirkungsweise dieses Apparates ist derart, daß die von dem Stift 1 gegebenenfalls über den Teller 2 aufgenommenen mechanischen Schwingungen über den Bügel 3 auf die piezoelektrischen Platten 4 und 5 übertragen werden, wo ihre Umformung in entsprechende elektrische Schwingungen erfolgt.

In besonderer Ausbildung der Erfindung ist der Bügel 3 so gestaltet, daß er außerhalb des Bereiches der piezoelektrischen Platten, 4 und 5 starr, mindestens aber in diesem Bereich starrer ist als der Teil des Bügels, der die Kristallplatten enthält. Dies wird gemäß Ausführungsbeispiel dadurch erreicht, daß der Bügelmittelteil, insbesondere an beiden Kanten, mit Bördeln 3' versehen ist.

Was die Formgebung der piezoelektrischen Platten 3 und 4 betrifft, so sind diese trapezförmig gestaltet, d. h. die Seitenkanten verlaufen zu den BeanspruchungsTichtungen geneigt, wodurch erreicht wird, daß die Eigenfrequenz der Platten sich nicht störend bemerkbar machen kann, d. h. daß Resonanzerscheinungen nach Möglichkeit vermieden sind.

Die Art des piezoelektrischen Materials, natürlich gewachsener oder künstlich verzüchteter Einkristalle oder durch besondere Maßnahmen in piezoelektrischem Zustand gebrachtes anderes Material, die kristallographische Orientierung und sonstige Ausbildung des piezoelektrischen Körpers ist für den Erfindungsgegenstand unwesentlich, ebenso die Art der medhanischen Schwingung, Drehungs-, Biegungs- oder Torsionsschwingung, die in dem piezoelektrischen Körper hervorgerufen und in eine entspredhende elektrische Schwingung umgewandelt wird.

Es können auch mehrere mechanische Schwingungen verschiedener Art im piezoelektrischen Körper hervorgerufen werden, von denen mindestens eine piezoelektrisch wirksam ist. Auch kann der piezoelektrische Körper aus mehreren Teilen aus piezoelektrischem Material gleicher oder verschiedener Art zusammengesetzt sein.

Die Erfindung kann sowohl zur Anwendung des direkten piezoelektrischen Effektes, Umwandlung von mechanischen in elektrische Schwingungen als auch zur Anwendung des reziproken piezoelektrischen Effektes, Umwandlung von elektrischen Schwingungen in mechanische Schwingungen für verschiedene Anwendungszwecke dienen.

Claims (2)

PATENTANSPBOCHE:

1. Gerät zur Umformung mechanischer Schwingungen in elektrische und umgekehrt, insbesondere Abtastgerät, dadurch gekennzeichnet, daß zwei in an sich bekannter Weise aus einer piezoelektrisch wirksamen und einer piezoelektrisch unwirksamen Platte bestehende Kristallsysteme auf Druck und Verbiegung beanspruchbar durch Vorspannung und durch Orientierung so· zusammengehalten sind, daß deren durch eine Axialverschiebung des Taststiftes (1) entstehenden Ladungen in ihren Vorzeichen gleich sind.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je eine piezoelektrische Platte an einer Seite der beiden Schenkel eines Bügels, auch Blech od. dgl, starr angekittet ist, während an dem Bügelmittelteil ein Taststift angenietet oder -geschweißt ist, wobei vorzugsweise die beiden Schenkel eine leichte Krümmung nach innen aufweisen.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 599361;

französische Patentschrift Nr. 907492;

USA.-Patentschrift Nr. 1 803 273;

Akustische Zeitschrift, 8 (1943), S. 81, 82;

- Scheminzky: »Die Welt des Schalles«, 2. Auflage, 1943, Tafel 62.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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