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Biegungsschwinger aus plättchenförmigem, elektrostriktivem
Material
Die Erfindung betrifft einen Biegungsschwinger aus plättchenformigem, elektrostriktivem Material, dessen Oberfläche durchstreifenförmiges, elektrisch leitendes Material (Leiterstreifen) in mehrere, senkrecht zur Biegeachse angeordnete Zonen unterteilt ist, bei dem jeweils zwei aufeinanderfolgende Zonen des elektrostriktiven Materials, vorzugsweise in den äusseren Schichten des Plättchens, entgegengesetzt polarisiert sind und von den Leiterstreifen jeweils die geradzahligen und ungeradzahligen durch je eine Verbindungsleitung zusammengefasst sind und je einen Pol des Schwingers bilden.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist, die Empfindlichkeit derartiger Biegungsschwinger zu erhö- hen.
Die erfinderische Lösung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterstreifen im elektrostriktiven Material vertieft angeordnet sind.
Bei den bekannten Biegungsschwingern der einleitend genannten Art verlaufen die Feldlinien zwischen benachbarten Leiterstreifen im wesentlichen in der Nähe der neutralen Achse des Schwingers. Dies ist dadurch bedingt, dass die Leiterstreifen auf der Oberfläche des elektrostriktiven Materials aufgebracht sind und die Feldlinien an diesen Leiterstreifen senkrecht endigen müssen. Infolge dieses Feldlinienverlaufes wird die dem Biegungsschwinger zugeführte elektrische Energie nur schlecht ausgenutzt, da die mechanischenKräfte dann in derNähe der neutralen Achse wirksam sind. Es entstehen also wegen des kleinen Hebelarmes nur kleine mechanische Momente. Durch eine vertiefte Anordnung der Leiterstreifen im elektrostriktiven Material ist es dagegen möglich, auch die äussersten Schichten, u. zw. bevorzugt, am Biegeprozess zu beteiligen.
Die Feldlinien verlaufen dann nämlich im wesentlichen dicht unter der Oberfläche zwischen den Kanten benachbarter Leiterstreifen, da dies der kürzeste Weg ist. Die längs dieser Feldlinien wirkenden mechanischen Kräfte haben aber den grössten Abstand zur neutralen Achse und liefern somit auch ein wesentlich grösseres Biegemoment als die mechanischen Kräfte von Feldlinien, die im Inneren des Materials verlaufen. Biegungsschwinger der erfindungsgemässen Art sind somit bei gleichen andern Verhältnissen wesentlich empfindlicher als die bekannten Biegungsschwinger, bei denen die Leiterstreifenauf der Oberfläche angeordnet sind.
Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise eines Biegungsschwingers der einleitend beschriebenen Art wird zunächst dessen Herstellung an Hand eines Beispiels erläutert.
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auch wesentlich dünner ausgeführt ist, elektrisch leitendes Material streifenförmig aufgetragen. Als Leitmaterial kann beispielsweise Silber verwendet werden, das auf irgendeine bekannte Weise aufgetragen wird. Die Leiterstreifen unterteilen das elektrostriktive Material in einzelne Zonen und werden so miteinander verbunden, dass jeweils die geradzahligen und ungeradzahligen Leiterstreifen zusammengefasst sind und je einen Pol des Schwingers bilden. Der Abstand der Leiterstreifen soll kleiner sein als die Dicke des Biegungsschwingers. Nun wird an die beiden Pole des Schwingers eine Gleichspannung angelegt, die, bezogen auf den Abstand der Leiterstreifen, etwa 600 V/mm beträgt.
Diese Spannung ruft in den Zonen zwischen den Leiterstreifen ein elektrisches Feld hervor, durch das das elektrostriktive Material polarisiert wird. Die Polarisation von elektrostriktivem Material hat unabhängig vom Vorzeichen der Polarisationsspannung eine Formänderung, z. B. eine Verlängerung des Materials in Polarisationsrichtung zur Folge.
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Das bedeutet, dass in diesem Fall die äusseren Schichten des Plättchens gedehnt werden und das Plättchen dadurch verspannt wird. In diesem Zustand wird der Biegungsschwinger erwärmt, u. zw. so weit, bis die Curie-Temperatur des elektrostriktiven Materials überschritten ist (bei Bariumtitanat etwa 1400 C) und dann wieder abgekühlt. Auf diese Weise bleibt auch nach dem Abtrennen der, Gleichspannungsquelle die durch diese verursachte Polarisation im elektrostriktiven Material und damit die Verspannung des Plättchens erhalten. Die Polarisation ist bei benachbarten Zonen des elektrostriktiven Materials entgegenge- setzt gerichtet.
Wird nun an die Pole eines derart präparierten Biegungsschwingers eine Steuerspannung angelegt, die wesentlich kleiner ist als die vorher zur Erzeugung der Polarisation verwendete Gleichspannung, dann wird in benachbarten Zonen des elektrostriktiven Materials je nach Polarität der Steuerspannung die Polarisationsspannung entweder geschwächt oder verstärkt. Der Biegungsschwinger verändert dadurch in benachbarten Zonen seine Krümmung im gleichen Sinn, so dass das ganze Plättchen im selben Krümmungssinn entweder mehr oder weniger gebogen wird.
Der Querschnitt des Plättchens kann je nach Anwendungsgebiet verschiedene Formen haben. Er kann z. B. rechteckig oder rund sein, wobei sich die Leiterstreifen dieser Form insoweit anpassen müssen, als sie jeweils senkrecht zur gewünschten Biegeachse verlaufen müssen. Die erste Ausführungsart wird beispielsweise verwendet als Filterelement oder als frequenzbestimmendes Element im Rückkopplungsnetzwerk eines Schwingungserzeugers, wenn es auf ein Schwingkreiselement hoher Güte ankommt. Die zweite Art der Ausführung eignet sich z. B. als Membran für einen elektroakustischen Wandler. Für diesen ist zur Erzielung eines möglichst grossen elektroakustischen Wirkungsgrades oft eine Anpassung an das umgebende Schallmedium erwünscht.
Eine Anpassung wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die Scheibe sehr dünn ausgeführt ist, oder dass ein mechanisches Übertragungsglied vorgesehen ist, mit dem die Bewegung des Biegungsschwingers auf eine zusätzliche Membran übertragen wird. Ausserdem wäre es zu diesem Zweck
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verschiedenen Krümmungssinnes auftreten.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Die Fig. 1-4 sowie 6 und 7 stellen hiebei zum Teil bekannte Anordnungen dar, bei denen die erfinderische Lösung vorteilhaft anwendbar ist, in Fig. 5 ist die erfinderische Lösung selbst bei einer weiteren Ausführungsform dargestellt.
Fig. 1 stellt im Querschnitt ein Plättchen 1 aus elektrostriktivem Material dar. Dieses ist etwa 1 mm dick und seine Oberfläche durch streifenförmiges, elektrisch leitendes Material 1/1, 2/2... 2/n in mehrere, senkrecht zur Biegeachse angeordnete Zonen 3/1, 3/2... 3/n unterteilt. Aufeinanderfolgende Zonen des elektrostriktiven Materials sind vorzugsweise in den äusseren Schichten des Plättchens entgegengesetzt
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Polarisationstreifen2/l, 2/3... 2/ (n-l) durcheineVerbindungsleitung6zusammengefasstundbildeneinen Pol'7 des Biegungsschwingers. Zwischen den Polen 5 und 7 wird die Steuerspannung für den Schwinger angelegt.
In Fig. 2 ist die Draufsicht eines derartigen Schwingers dargestellt und auf eine zweckmässige Anordi nung derVerbindungsleitungen4 und 6 aufmerksam gemacht. Der Querschnitt des Plättchens ist hier rechteckig ausgebildet, wobei seine Länge wesentlich grösser ist als seine Breite, so dass der Schwinger stabförmig ist. Das elektrisch leitende Material ist in Form von Querstreifen auf der Oberfläche des Schwingers angeordnet. Die Querstreifen sind abwechselnd mit der einen oder andern Längsseite der Scheibe verbunden und die Längsseiten durch einen Auftrag von elektrisch leitendem Material leitfähig gemacht.
In Fig. 3 ist der Querschnitt des Plättchens kreisförmig. Die einzelnen Leiterstreifen sind in Form von konzentrischen, nicht geschlossenen Ringen 8/1, 8/2... 8/n auf der Oberfläche der Scheibe aufgebracht. Die geradzahligen Ringe sind durch eine Verbindungsleitung 9 miteinander verbunden und bilden inenPo110des Biegungsschwingers. Ebensosind die ungeradzahligen Ringe durch die Verbindungsleitung 11 miteinander verbunden und zum Pol 12 zusammengefasst. Zwischen den Ringen aus leitendem Material befinden sich ringförmige Zonen 13/1, 13/2... 13/n aus elektrostriktivem Material, von denen zwei benachbarte, vorzugsweise in den Oberflächenschichten entgegengesetzt polarisiert sind.
Fig. 4 zeigt ebenfalls einen kreisförmigen Biegungsschwinger, bei dem die Leiterstreifen in Form zweier ineinanderlaufender Spiralen 14 und 15 angeordnet sind. Bei dieser Anordnung erübrigen sich die fur die Zusammenfassung der Leiterstreifen sonst notwendigen Verbindungsleitungen. Durch die spiralen- förmigen Leiterstreifen wird auch zwangsläufig das elektrostriktive Material in spiralenförmige Zonen unterteilt, von denen zwei benachbarte, entgegengesetzt polarisiert sind. Diese Ausführungsform hat
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ebenso wie die Ausführungsform nach Fig. 3 im wesentlichen radialsymmetrische Biegungsachsen.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist die erfinderische Lösung in ihrer Anwendung gezeigt. Die Leiterstreifen sind im elektrostriktiven Material vertieft angeordnet. Es ist damit das elektrische Feld, durch das die Zonen zwischen den Leiterstreifen polarisiert werden, im wesentlichen in Richtung der Biegeachse ausgebildet. Dadurch wird ein besonders grosser Anteil der elektrischen Energie in den äusseren Schichten zur Erzeugung des Biegemomentes ausgenutzt. Diese liefern, wie bereits ausgeführt wurde, wegen des grössten Hebelarmes, auch den grössten Anteil am Biegemoment.
Damit sich bei der Ausführungsform nach Fig. 5, bei der sowohl auf der oberen als auch auf der unteren SeitedesstabförmigenSchwingersLeiterstreifenangeordnetsind,die Biegewirkungen der Ober- und der Unterseite gegenseitig unterstützen. muss die Voraussetzung erfüllt sein, dass entweder die übereinanderliegenden Zonen des elektrostriktiven Materials entgegengesetzt polarisiert und die übereinanderliegenden Querstreifen
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Schwingers angeschlossen sind. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist eine gleichsinnige Polarisation über- einanderliegender Zonen angenommen. Es sind deshalb die übereinanderliegenden Leiterstreifen 17/1 und 20/2 an zwei verschiedene Verbindungsleitungen 19 und 18 angeschlossen.
Das gleiche gilt für die übrigen Leiter- streifen.
Fig. 6 stellt einen Biegungsschwinger dar, bei dem das elektrostriktive Material auf einen schei- benförmigen, elastischen Träger 21 aufgebracht ist. Eine derartige Ausführungsform ist oftmals zweck- mässig bei der Verwendung eines Biegungsschwingers als Membran für einen elektroakustischen Wandler.
Ist hiebei, wie in Fig. 6, der elastische Träger an seinem äusseren Rand eingespannt, so hat bei einer Auslenkung des scheibenförmigen Trägers die ringförmige Randzone einen andern Krümmungssinn wie die kreisförmige Fläche in der Mitte. Würde das elektrostriktive Material nur auf einer Seite des Trägers die gesamte Oberfläche bedecken, so wäre die gleichsinnige Biegewirkung des elektrostriktiven Effektes an einigen Stellen der durch die Einspannung bedingten Biegekurve entgegengerichtet. Dadurch würde der erwünschte Effekt vermindert werden. Das elektrostriktive Material soll daher nicht die gesamte Oberfläche des Trägers bedecken, sondern nur jeweils solche Teilf1ächn, die den gleichen Krümmungssinn haben.
In Fig. 6 ist somit das elektrostriktive Material 22 in der Mitte des Trägers auf der Oberseite und am Rand auf der Unterseite angeordnet.
Fig. 7 zeigt die Ausführungsform eines stabförmigen Biegungsschwingers als Vierpol. Die Anordnung der Leiterstreifen und der Verbindungsleitungen entspricht der von Fig. 2. Es ist hier aber nur ein Teil 23 der geradzahligen bzw. ungeradzahligen Leiterstreifen durch je eine Verbindungsleitung zu je einem Pol 24 und 25 des Schwingers zusammengefasst. Der andere Teil 26 ist durch zwei weitere Verbindungsleitungen zu zwei weiteren Polen 27 und 28 geführt, so dass auf diese Weise ein elektrischer Vierpol entsteht.
Eine derartige Ausführungsform hat vor allem Bedeutung als Filterelement für elektrische Filter hoher Güte.
Die Beispiele sollten zeigen, an welchen, zum Teil bekannten Ausführungsformen sich die erfindungsgemässe Lösung vorteilhaft verwirklichen lässt. Die Ausführungsformen sind verwendbar zur Umwandlung von elektrischer in mechanische Energie, z. B. als elektroakustische Wandler oder als frequenzbe- stimmende Zweipol-oder Vierpolelemente hoher Güte in elektrischen Filtern oder als Rückkopplungsnetzwerke für Schwingungserzeuger. Je nach Verwendungsart wird hiebei die eine oder andere der beschriebenen Ausführungsformen bevorzugt werden.