DE1487304A1

DE1487304A1 - Elektromechanischer akustischer UEbertrager

Info

Publication number: DE1487304A1
Application number: DE19661487304
Authority: DE
Inventors: Straube Helmut Joachim
Original assignee: General Dynamics Corp
Current assignee: General Dynamics Corp
Priority date: 1965-04-30
Filing date: 1966-04-19
Publication date: 1969-04-03
Also published as: US3370187A; GB1137763A

Description

Pr. Ing. E. BERKENFEID, Pot·ntonwatt, KOLN, Univer'»it6ti»tro6· 31

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β· Aktoonkhm

b·**. vom 6. April I966 vA. No« 4. A»m. GENERAL DYNAMICS CORPORATION

Elektromechanischer akustischer übertrager.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektromechanische akustische Übertrager und insbesondere auf solche Übertrager, die für Gebrauch unter Wasser bestimmt sind.

Ein typischer akustischer Übertrager, der flexible Mittel verwendet, enthält zwei miteinander verbundene aktive Komponenten in Form von sich gegenüberliegenden piezoelektrischen keramischen Scheiben oder Platten, die so befestigt sind, daß sie sich bei Einwirkung elektrischer oder äcustischer Energie biegen. Die Oberflächen der Scheiben, die miteinander verbunden sind, bestimmen die Bindungsebene des Übertragers und eine durch die Bindungsebene gezogene Linie wird Bindungslinie genannt. Eine Durchbiegung erzeugt eine elektrische Spannung zwischen auf beiden Seiten jeder Scheibe liegenden Elektroden und diese Spannung repräsentiert die auf die Scheiben auftreffende akustische Energie. Der Übertrager kann auch als Schallstrahler verwendet werden, um elektrische Wechselspannungsenergie in Druckwellenenergie oder akustische Energie umzuwandeln. Die keramischen Scheiben erzeugen in Abhängigkeit von einer angelegten elektrischen Signalspannung akustische Energie durch Durchbiegung.

Maßstäbe für einen guten elektromechanischen übertrager sind hoher Wirkungsgrad und Bandbreite. Die Bandbreite eines Übertrages hängt von mehreren Eigenschaften ab. Eine wichtige ist der Kopplungokoeffizient. Dies ist das Verhältnis der elektrischen Energie zur mechanischen Energie, wobei die Energieumwandlung im Übertrager stattfindet, oder das Verhältnis der mechanischen akustischen iinergie zur elektrischen Energie, wobei die Energieumwandlung wieder im übertrager stattfindet. Der Kopplungskoeffizient einen elektromechanischen Übertragers läßt sich aus einer Messung seiner Resonanz- und Antifresonanzfrequenz mit Hilfe der folgenden

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— 1 —

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Gleichung bestimmen:

-f²

U)

wobei f_ die Antiresonanzfrequenz oder diejenige Frequenz ist, bei der die Impedanz ein Maximum erreicht, - ·

und f die Resonanzfrequenz ist.

Ein bei akustischen Übertragern vom Biegertyp schon lange bestehendes Problem ist der solchen Übertragern eigene niedrige Kopplungskoeffizient, der ihre Anwendung beschränkt, wenn relativ große Bandbreiten erforderlich sind. Dieses Problem läßt sich an der Relativbewegung der aufeinanderllegenden piezoelektrischen keramischen Scheiben beobachten, die diese in Abhängigkeit eines elektrischen Eingangssignales ausführen, das an jede piezoelektrische keramische Scheibe angelegt wird. Eine Scheibe kontrahiert radial, während die andere im Wechsel der Signalfrequenz radial expandiert. Die Zusammenwirkung der beiden piezoelektrischen Scheiben erfolgt entlang der Bindungsebene zwischen den angrenzenden Flächen der piezoelektrischen Scheiben. Da eine der piezoelektrischen Scheiben radial kontrahiert und die andere piezoelektrische Scheibe radial expandiert, biegen oder beugen sich die aufeinanderliegenden piezoelektrischen Scheiben in Abhängigkeit des elektrischen Eingangssignales in schalenförmiger Weise und erzeugen mechanische Energie. Es sei bemerkt, daß nur die Radialbewegung der aufeinanderliegenden piezoelektrischen Scheiben entlang der Bindungsfläche zu einer Durchbiegung der aufeinanderliegenden piezoelektrischen Scheiben führt, während die radiale Expansion und Kontraktion des Umfangs und der freien Flächen der piezoelektrischen SchejL ben praktisch nicht zu der Durchbiegung beitragen und damit auch nicht zu der Urnwandlung der elektrischen Energie in die mechanische akustische Energie. Daraus resultiert ein verhältnismäßig niedriger Kopplungskoeffizient.

In Anbetracht des obigen zielt die vorliegende Erfindung auf die Lösung des Problems der Schaffung eines besseren Kopplungskoeffizienten bei elektromechanischen akustischen Übertragern ab.

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Gemäß der Erfindung ist ein elektromechanischer akustischer Übertrager vorgesehen mit einem Gehäuse und mindestens einem Element, das auf Druck und/oder ein elektrisches Signal anspricht und in dem Gehäuse unter Ermöglichung einer Biegebewegung gehalten ist. Weiter liegt dieses Element zwischen Elektroden, um an das Element elektrische Signale anzulegen oder solche von dem Element abzunehmen, wobei das Element in einem angetriebenen,strahlenden Abschnitt eines biegsamen, vibrierenden Gliedes gehalten wird, das seinerseits in dem Gehäuse mit Hilfe eines Randes gehalten wird, der über Gelenke mit dem angetriebenen, strahlenden Abschnitt verbunden ist. .

Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, daß ein verbesserter Übertrager geschaffen wird, der sich ohne Aufwand und einfach bauen läßt.

Kurz gesagt, die vorliegende Erfindung löst die obigen Aufgaben und weitere Aufgaben mit "einem verbesserten elektromechanischen Übertrager. In einer Ausführung enthält dieser übertrager einen Rahmen, ein biegsames Vibrationsglied aus einem elastischen Material; wie z. B. Stahl oder Aluminium, und mindestens eine piezoelektrische Scheibe gegebener Stärke und gegebenen Durchmessers. Das biegsame Vibrationsglied enthält einen ortsfesten Randabschnitt, der an dem Rahmen befestigt ist, und einen angetriebenen, strahlenden Abschnitt, der mit dem Randabschnitt durch einen Gelenkabschnitt verbunden ist, der in einer neutralen Ebene oder Nullbeanspruchungsebene angeordnet ist, die durch den angetriebenen, strahlenden Abschnitt durchläuft. Der angetriebene, strahlende Abschnitt enthält auf einer Seite der neutralen Ebene eine zylindrische Höhlung, die die piezoelektrische Scheibe in einer in radialer Richtung einengenden Weise aufnimmt, so daß Jede radiale Expansion der piezoelektrischen Scheibe in einer zu der neutralen Ebene parallelen Richtung auf die Seitenwand der Höhlung übertragen wird. Die piezoelektrische Scheibe kann in der Höhlung mit einem relativ harten Kitt, wie z. B. einem der Epoxykitte, eingekittet werden. Die piezoelektrische Scheibe kann in einer zu ihren Hauptseiten senkrechten Richtung polarisiert werdenlind auf ihren Hauptseiten Elektroden enthalten, so daß die piezoelektrische Scheibe in Abhängigkeit eines an die Elektroden angelegen elektri-

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sehen Eingangssignales radial expandiert.

Die Seitenwand der Höhlung in dem angetriebenen, strahlenden Abschnitt begrenzt einen monolithischen Rand, der an dem Gelenkabschnitt abgestützt wird, so daß der monolithische Rand um den Gelenkabschnitt schwingen kann, wenn eine Kraft, wie z. B. die durch die radiale Expansion der piezoelektrischen Scheibe erzeugte Kraft, auf die Seitenwand der Höhlung oberhalb der neutralen Ebene einwirkt. Der angetriebene, strahlende Abschnitt enthält in der Mitte einen dünnen Scheibenabschnitt, der sich am Boden der Höhlung befindet und bis zur anderen Seite der neutralen Ebene erstreckt. Der in der Mitte befindliche Scheibenabschnitt ist mit dem monolithischen Rand einstückig ausgebildet, so daß jede Schwenk- und Rotationsbewegung des monolithischen Randes im Zentrum des dünnen; in der Mitte befindlichen Scheibenabschnittes verstärkt wird. Wenn somit die piezoelektrische Scheibe durch ein elektrisches Signal in Vibration versetzt wird, expandiert und kontrahiert sie radial und übt pf-allel zu der neutralen Ebene eine Kraft nicht nur auf den dünnen mittleren Abschnitt entlang der BiegelinieH, sondern auch auf den monolithischen Rand aus. Die auf den Rand einwirkende Kraft führt zu einer zusätzlichen Durchbiegung des angetriebenen, strahlenden Abschnittes und der piezoelektrischen Scheibe, wodurch die Durchbiegung wirkungsvoll verstärkt wird. Es hat sich herausgestellt, daß die Differenz zwischen der Resonanz- und Antiresonanzfrequenz des Übertragers gegenüber bekannten Übertragern vom Biegertyp vergrößert worden ist. Das bedeutet, daß der erfindungsgemäße Übertrager eine größere Bandbreite hat. Der Kopplungskoeffizient des Übertragers wird damit gegenüber dem Stand der Technik verbessert, da die radiale Expansion entlang der Biegelinien und die radiale Expansion entlang des ümfangs der piezoelektrischen Scheibe gemäß der Erfindung ausgenutzt werden.

Zum klareren Verständnis der Erfindung wird diese nun an einem Beispiel unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Dabei ist: , „

Pig. 1 ein zentrischer Schnitt durch einen erfindungsgemäß aufgebauten Übertrager,

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Pig. 2 eine Vorderansicht einer laminaren Übertragereinheit, die in dem Übertrager gemäß Pig. I enthalten ist,

Pig. 3 ein zentrischer Schnitt durch die laminare Übertragereinheit gemäß Fig. 2, wobei die Durchbiegung der laminaren Übertragereinheit in übertriebenem Maßstab dargestellt ist,

Fig. 4 ein zentrischer Schnitt durch eine andere erfindungsgemäß aufgebaute laminare Übertragereinheit, die eine einzige piezoelektrische Scheibe verwendet, und

Pig. 5 eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführung gemäß der Erfindung in einer reehteckförmigen laminaren Übertragereinheit mit einer Vielzahl von piezoelektrischen Elementen, die Seite an Seite angeordnet sind.

Im folgenden werden zuerst die Figuren 1 bis 5, und insbesondere Fig. 1, besprochen. Ein elektromechanischer Übertrager 1st über seine Klemmen 12 und 13 an eine elektrische Schaltung 11 angeschlossen. Der Übertrager 10 enthält eine laminare Übertragereinheit 20, ein wasserdichtes Gehäuse 14 und einRingglied 15* das zur Befestigung der laminaren Übertragereinheit 20 innerhalb des Gehäuses 14 dient.

Die laminare Übertragereinheit 20 enthält aktive druck- und/oder signalempfindliche Elemente, wie piezoelektrische keramische Scheiben 21 und 22 und ein biegsames Vibrationsglied 23, das erfindungsgemäß an die piezoelektrischen Scheiben 21 und 22 angekoppelt ist. Das biegsame Vibrationsglied 23 wird in den Figuren 2 und 3 in größerem Detail gezeigt. Die aktiven Elemente können, ohne daß man damit die Erfindung verläßt, magnetostriktive oder elektrostriktive Elemente sein. Die Scheiben 21 und 22 können aus einem polarisierbaren ferroelektrischen keramischen Material, wie Bariumtitanat bestehen, und aus festen Lösungen des Bleizirkonat und Bleititanat. Bei einer Polarisation duroh Anlegen eines starken elektrostatischen Feldes erhalten diese Scheiben 21 und 22 Eigenschaften, die dem piezoelektrischen Effekt kristallinen Materials, wie z. B. Quarz und Roohelle-Salz, entsprechen.

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Die Scheibe 21 hat sich gegenüberliegende Oberflächen 24 und 25 lind einen Umfang 2 mit vorgegebenem Durchmesser. Die Oberflächen 24 und 25 sind unter Bi'ldiung einer Außenelektrode 26 und einer Innenelektrode 27 mit einem elektrisch leitenden Material überzogen. Die Scheibe 22 hat Oberflächen 28 und 29 und einen Umfang 3, der auch einen vorgegebenen Durchmesser hat, der dem Durchmesser der ersten keramischen Scheibe 21 im wesentlichen gleich ist. Auch die Oberflächen 28 und 29 sind unter Bildung einer Außen- · elektrode 31 und einer Innenelektrode 32 mit einem elektrisch leitenden Material überzogen. Obgleich überzogene Elektroden gezeigt werden, können auch andere Arten von flexiblen Elektroden, wie Kupferfolie oder -gewebe, zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die piezoelektrischen keramischen Scheiben 21 und 22 verwendet werden, und zwar auf eine Fachleuten geläufige Art. In manchen Fällen kann die Inneneelektrode weggelassen werden, da das flexible Vibrationsglied 23, wenn es aus einem elektrisch leitenden Material, wie Stahl oder Phosphorbronze, besteht, für beide keramische* Scheiben 21 und 22 eine Innenelektrode bildet. Die Scheiben 21 und 22 sind senkrecht zu ihren Oberflächen 24, 25, 28 und 29 polarisiert, so daß ein an die Elektroden 26 und 27 angelegtes elektrisches Signal die radialen Abmessungen der piezoelektrischen keramischen Scheibe 21 ändert, das heißt, daß sich die Scheiben radial kontrahieren oder expandieren, wie es durch die Pfeile in Fig. 3 gezeigt wird. Das gleiche gilt für die zweite piezoelektrische Scheibe 22. Die Änderungen der radialen Abmessungen der piezoelektrischen keramischen Scheiben sind dem elektrischen Eingangssignal proportional. Die Scheiben 21 und 22 können auch so gefertigt werden, daß sie sich selektiv auch ohne Polarisation kontrahieren oder expandieren. Hierzu legt man eine Vorspannung an die Elektroden 26, 27 und 31 und 32 an und legt eine elektrische Signalspannung an, die gegenüber der Vorspannung als Bezugsspannung veränderlich ist.

Das biegsame Vibrationsglied 23 enthält einen angetriebenen, strahlenden Abschnitt ^h 35* einen ortsfesten Umfangsrand 36 und ein Qelenk 37, das von zwei ähnliohen Rillen 38 und 39 begrenzt wird, die Rücken an Rücken auf den Seiten 41 und 42 des öliedes 23 an geordnet sind. Die Rillen 38 und 39 sind von gleioher Tiefe und umsohließen den strahlenden Absohnitt 35, wie es in den Figuren

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und 3 gezeigt wird. Das biegsame Vibrationsglied 23 kann aus einem elastischen, federnden Material, wie Stahl, Phosphorbronze oder dergleichen, bestehen.

Das Gelenk 37 ist von den Seiten 4l und 42 des Gliedes 23 entkoppelt und liegt auf beiden Seiten einer Nullbeanspruchungs- oder neutralen Ebene 6, die durch das Glied 23 hindurchgeht. Die neutrale Ebene 6 ist frei von Beanspruchungen und ändert während der Biegung des angetriebenen strahlenden Abschnittes 35 seine radialen Abmessungen im wesentlichen nicht. Die neutrale Ebene hat eine neutrale Achse und erstreckt sich senkrecht zu der Richtung der Durchbiegung des Abschnittes 35· Die Rillen 38 und 39 sind in bezug auf die Lage der neutralen oder Nullbeanspruchungsebene symmetrisch.

Das Gelenk 37 ist verhältnismäßig empfindlich und gibt einer seitlichen Bewegung der Hauptflächen 41 und 42 oder der Durchbiegung des angetriebenen strahlenden Abschnittes 35 nach. Das Gelenk 37 ist jedoch verhältnismäßig steif gegenüber einem Endschub oder einer kolbenartigen Bewegung des strahlenden Abschnittes 35* Das Gelenk 37 bildet eine Kantenabstützung für den strahlenden Abschnitt 35« Das biegsame,vibrierende Glied 23 ist an dem Rand 36 befestigt, so daß der angetriebene, strahlende Abschnitt 35 des biegsamen, vibrierenden Gliedes 23 zu Biegeschwingungen um das Gelenk 23 erregt werden kann.

Gemäß der Erfindung enthält die Übertragereinheit 20 zwei zylindrische Höhlungen 4 und 5, die koaxial auf beiden Seiten der neutralen Ebene 6 angeordnet sind. Die Höhlungen 4 und 5 weisen Kragen 7 und 8 auf, um die piezoelektrischen keramischen Scheiben 21 und 22 aufzunehmen, wobei diese an ihren Umfangen 2 und 3 eingeklemmt werden. Die Tiefe der Höhlungen ist im wesentlichen gleich der Dicke der Scheiben 21 und 22. Der Durchmesser der Höhlungen 4 und 5 ist im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Scheiben 21 und 22. Diese Relation hat unter anderem den Vorteil, daß sich die Scheiben 21 und 22 leicht koaxial in den Höhlungen 4 und 5 anordnen lassen.

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Eine dünne Scheibe 9 liegt in der Mitte zwischen den Höhlungen und 5. Die Kragen 7 und 8 können die Scheiben 21 und 22 in Radial richtung vorspannen, um die Betriebscharakteristik: des Übertragers 10 ν zu verändern. Die Scheiben 21 und 22 sind auf die dünne mittlere Scheibe 9 und auf die Kragen 7 und 8 an deren Umfang aufgekittet.

Gemäß der Erfindung vermeiden die zylindrischen Höhlungen 4 und 5 mindestens eines der Probleme des Standes der Technik, welches erforderlich machte, daß das Bindemittel, welches die Scheiben 21 und 22 auf die mittlere Scheibe 9 aufkittete, dünn genug war, so daß zwischen den Scheiben 21 und 22 einerseits und dem strahlenden Abschnitt J55 nur ein vernachlässigbarer Kopplungsverlust vorhanden war. Bei der vorliegenden Erfindung verbessert die ra- · diale Expansion der Scheiben 21 und 22 die mechanische Kopplung zwischen den Scheiben und dem strahlenden Glied 23 im Vergleich zu einer solchen Kopplung gemäß dem Stand der Technik. Im Endergebnis folgt hieraus, daß der übertrager 10 einen verbesserten Kopplungskoeffizienten hat.

Die laminare Übertragereinheit 20 ist in dem Gehäuse 14 in einer ringförmigen Rille 17 eingeklemmt, die zwischen dem Gehäuse 14 und einem Haltering 15 ausgebildet ist. Der Außenrand 36 liegt fest in der Rille 17· Ein harter, elektrisch isolierender, geteilter Ring 18 ist in der ringförmigen Rille 17 angeordnet und umschließt den Abschnitt 36. Der Ring l8 dient zur elektrischen Isolierung der laminaren Übertragereinheit 20 vom Gehäuse 14 und vom Haltering 15· Das Gehäuse 14 besteht aus einem harten, steifen Material, wie z. B. Stahl, Faserglas, Kunststoff oder dergleichen, und enthält eine Höhlung 19, die mit Luft oder Gas gefüllt sein kann und ebenfalls einen elektrischen Verstärker oder Vorverstärker enthalten kann, der nicht gezeigt ist. Das Gehäuse 14 enthält eine wasserdichte Verbindung 16. Ein "O"-Ring 46 bildet eine wasserfeste Abdichtung zwischen dem Gehäuse 14 und dem Haltering 15. ,- ■

Eine flexible Membran 48, z* B. aus Gummi, deckt die laminare Übertragereinheit 20 ab und bildet an der Rille 17 eine hermetische Abdiohtung für das Gehäuse 14. Der Ring 15 enthält eine Off-

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nung 49, die ein wenig größer als der Durchmesser des strahlenden Gliedes 35 ist und mit der flexiblen Membrane 48 ein akustisches Fenster bildet.

Die elektrische Schaltung 11 ist über einen Leitungsdraht 45 mit • den Außenelektroden 26 und 31 der Scheiben 21 und 22 verbunden. . Ein Leitungsdraht 44 verbindet die Innenelektroden 27 und 32 der Scheiben 21 und 22 mit der elektrischen Schaltung 11. Die piezoelektrischen Scheiben 21 und 22 sind parallelgeschaltet und biegen sich in Abhängigkeit von einem elektrischen Eingangssignal und der Polarität dieses Signales beide in der gleichen oder entgegengesetzten Richtung.

Der Übertrager 10 kann als Mikrophon oder als Lautsprecher arbeiten. Bei Mikrophonbetrieb wird der laminaren Übertragereinheit 20 durch die Membran 48 akustische Energie zugeführt. Die akustische Energie übt auf das angetriebene strahlende Glied 35 der laminaren Übertragereinheit 20 eine im wesentlichen axiale mechanische Kraft aus. Diese Kraft wird im wesentlichen gleichförmig verteilt, so daß das angetriebene strahlende Glied 35 sich wie eine Membran in konkav-konvexer Biegung durchbiegt oder auswölbt, wobei an einem nodalen Kreis am Gelenk 37 praktisch keine Verschiebung stattfindet und eine maximale Verschiebung an einem Wellenbauch im Mittelpunkt des angetriebenen strahlenden Gliedes 35 auftritt, wie dies Fig. 3 zeigt. Die Scheiben 21 und 22 und die dünne mittlere Scheibe 9 folgen der Durchbiegung des angetriebenen strahlenden Gliedes 35· Als Ergebnis hiervon erzeugen die piezoelektrischen Scheiben 21 und 22 eine Spannung, die an den Innenelektroden 26, 27 und an den Außenelektroden 31, 32 abgenommen werden kann. Diese Spannungen werden algebraisch zusammengesetzt. In Abhängigkeit von der auf den Übertrager 10 auftreffenden akustischen Energie bilden sie ein elektrisches Ausgangssignal. Gemäß der Erfindung tragen die Kragen 7 und 8 des Randes 6 zu der duroh die piezoelektrischen Scheiben erzeugten radialen Beanspruchung bei, wodurch die von den piezoelektrischen Scheiben 21 und 22 erzeugte Spannung erhöht wird. Dadurch werden Empfindlichkeit und Kopplungskoeffizient des Übertragers 10 erhöht.

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Bei Verwendung dee Übertragers 10 als Schallstrahler oder Lautsprecher wird eine elektrische Eingangssignalspannung von der elektrischen Schaltung 11 abgenommen und an die Klemmen 12 und 13 angelegt. In Abhängigkeit von diesem elektrischen Signal werden in den piezoelektrischen Scheiben 22 und 21 Verformungen erzeugt, die eine Änderung der radialen Abmessungen der ersten und der zweiten piezoelektrischen Scheibe 21 und 21 in Abhängigkeit von der angelegten Singangss ignalspannung bewirken. Diese radia*- len Änderungen zeigen sich in einer Expansion und Kontraktion entlang des Umfangs und der Seiten der piezoelektrischen kermamischen Scheiben. Die piezoelektrischen keramischen Scheiben 21 und 22 sind elektrisch so angeschlossen, daß die den entsprechenden Elektroden 26, 27 und 31, 32 zugeführten elektrischen Eingangssignale gegenphasig sind. Infolgedessen expandiert eine Scheibe, während die andere Scheibe kontrahiert. Bei einer radialen Expansion übt die piezoelektrische keramische Scheibe 21 auf den Kragen 7 eine gleichförmige Belastung aus. Diese Belastung kann durch eine Kraftresultierende R₁ repräsentiert werden, die nach außen in Richtung auf den Außenrand 36 einwirkt, wobei diese Richtung als Gegenuhrzeigerrichtung um das Gelenk angesehen werden kann. Die Kraftresultierende R₁ kommt etwa in der Mitte der Dicke der Scheibe 21 in einem Abstand Y₁ von der neutralen Ebene zur Wirkung. Das heißt, daß die Kraftresultierende R₁ ein Drehmoment T₁ ausübt:

T₁ = Y₁ R₁ (2)

Zur gleichen Zeit kontrahiert die piezoelektrische keramische Scheibe 22 und zwingt den Kragen 8 infolge der Verkittung, daß dieser auch in Gegenuhrzeigerrichtung um die neutrale Ebene am Gelenk 37 schwingt, so daß ein Drehmoment T₂ erzeugt wird, das wie folgt definiert werden kann:

^T2 ^{= Y}2 ^R2 (3)

wobei Yo der Abstand ist, in dem die Kraftresultierende R₂ auf den Kragen 8 des Randes β von der neutralen Ebene am Gelenk 37 einwirkt,und R₂ die durch die radiale Kontraktion der Scheibe 22 erzeugte Widerstandskraft ist. 909814/0483

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Die Drehmomente T₁ und T₂ addieren sich und bewirken, daß sich . die Scheiben 21 und 22 wie auoh die mittlere Scheibe 9 in der in Pig· 3 gezeigten konvexen Weise auswölben. Bel einer Änderung der Polarität der entsprechenden Signale wird die piezoelektrische keramische Scheibe 21 kontrahieren und die Scheibe 22 wird expandieren.

Fig. 4 zeigt eine andere laminare Übertragereinheit 60, die sich von der Ausführung nach den Figuren 1 bis 3 dadurch unterscheidet, daß zur Umwandlung eines elektrischen Eingangssignales in eine mechanische Bewegung oder umgekehrt eine einzige zylindrische Höhlung 61 und nur eine piezoelektrische keramische Scheibe 62 verwendet werden. Ein angetriebener strahlender Abschnitt 63 des biegsamen Vibrationsgliedes 64 hat eine andere Expansionsoder Kontraktionsgröße als die piezoelektrische keramische Scheibe 62. Die zylindrische Höhlung 6l in dem Glied 63 nimmt die in sie eingekittete piezoelektrische keramische Scheibe 62 in ähnlicher Weise auf, wie dies'unter Bezug auf die Figuren 1 bis 3 beschrieben wurde. Die Höhlung 61 und die Scheibe 62 liegen auf einer Seite der neutralen Ebene, die durch den angetriebenen strahlenden Abschnitt 63 und ein Gelenk 67 hindurchgeht. Der angetriebene strahlende Abschnitt enthält einen Kragen 68, der die piezoelektrische keramische Scheibe 62 umschließt und die Expansion oder Kontraktion der Scheibe über der gesamten Dicke der piezoelektrischen keramischen Scheibe begrenzt, so daß ein größerer Unterschied in der axialen Verschiebung der Scheibe erzielt wird als bei einer keramischen Scheibe, die gemäß dem Stand der Technik in nicht einengender Weise lediglich auf die Oberseite einer anderen piezoelektrischen Scheibe aufgekittet ist. Der angetriebene strahlende Abschnitt 63 kann als ein elektrischer Kontakt auf einer Oberfläche der Scheibe 62 dienen und ein (nicht gezeigter) Leitungsdraht kann an eine (nicht gezeigte) Elektrode auf der anderen Oberfläche 70 der Scheibe 62 aufgelötet werden.

Im'Betrieb expandiert oder kontrahiert die Scheibe 62 In Abhängigkeit von einem an die Oberflächen 69 und 70 angelegten elektrischen Potential, und zwar entsprechend Ihrer Polarisation und der Polarität des elektrischen Signales· Venn ζ. B. die Sohelbe 62 expandiert, eohwingt der Kragen 68 am flelenk 67 um die neutra-

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le Ebene und bewirkt, daß sich der angetriebene strahlende Abschnitt 65 und die piezoelektrische keramische Scheibe 62 nach rechts auswö.lben oder durchbiegen. Der angetriebene strahlende Abschnitt 63 und die piezoelektrische Scheibe 62 können mit einer Frequenz in Vibration gesetzt werden, die der Frequenz des Eingangssignales entspricht.

Fig. 5 zeigt eine andere Ausführung der Erfindung. Die laminare Ubertragereinheit 80 ist rechteckförmig und umfaßt ein rechteckförmiges biegsames Vibrationsglied 83 mit einer Rinne 8l zur Aufnahme einer Vielzahl von piezoelektrischen Elementen 82, die an Jedem Ende durch Isolatoren 84, 84a gegeneinander isoliert sind. Wechselweise liegen Elektroden aus Kupferfolie oderKupfergewebe 85 und 86 zwischen den piezoelektrischen keramischen Elementen 82. Die Kupferfolie oder das Kupfergewebe endet in Anschlüssen 87 und 88, die über. Drähte 91 und 92 an eine Signalquelle 89 angeschlossen sind. Die Signalquelle 89 legt ein Signal entgegengesetzter Polarität an benachbarte piezoelektrische Elemente 824n, so daß die piezoelektrischen Elemente 82 sämtlich gemeinsam expandieren oder kontrahieren. Obgleich nur eine Rinne 81 auf einer Seite einer neutralen Ebene gezeigt wird, leuchtet es ein, daß eine (nicht gezeigte) ähnliche Rinne auf der anderen Seite der neutralen Ebene in dem biegsamen Vibrationsglied 85 enthalten sein kann, das aus einem federnden Material bestehen kann, wie Phosphorbronze, Aluminium, Stahl oder dergleichen, und einen ortsfesten Rand 96 und 96a und einen angetriebenen strahlenden Abschnitt 95 aufweist, der an dem ortsfesten Rand 96 und 96a mit Oelenken 97 und 97a befestigt ist, die durch zwei Gruppen von Rillen 98, 98a und 99, 99a begrenzt werden, die Rücken an Rükken liegen. Der angetriebene strahlende Abschnitt 95 ist dem angetriebenen strahlenden Abschnitt 25 ^von Fig. 1 mit der Ausnahme ähnlich, daß er eine rechtecÄförmige Gestalt hat. Der angetriebene strahlende Abschnitt 95 weist Kragen IO6 und 106a neben den

Oelenken 97 und 97a auf, die an Jedem Ende des Abschnittes 95 angeordnet sind. Die Kragen 106 und 106a schwingen in Abhängig^- keit von der Expansion oder Kontraktion der Vielzahl der piezoelektrischen Elemente 82 um die Gelenke 97 und 97a. Die Kragen 106 und 106a spreohen in ähnlicher Weise an wie der Rand 6 des angetriebenen strahlenden und In den Figuren 1 bis 2 gezeigten

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Abschnittes 35· Aus der Expansion und Kontraktion der Elemente 82 resultiert eine Kraft, wodurch ein Drehmoment abgeleitet wird, das die Kragen 106 und 106a in der neutralen Ebene um das Gelenk 97 und 97a schwingen läßt, wodurch das Glied 95 wie beschrieben in konkav-konvexer Weise gebogen wird* Die laminare Übertragereinheit 80 ist besonders vorgteilhaft, da sie einen hohen hydrostatischen Druck aushalten kann, der die piezoelektrischen Elemente 82 vorbelasten kann, was bei Hochleistungsanwendungen erwünscht sein mag.

Pat entansprüche

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Claims

Dr. Ing. E. BERKENFELD, Pat« ntoinfgfit; KO W, HOiftjfrfltdftroge 31

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xur El»«*· vom 6. April 1966 VA. Norn· A An». GENERAL DYNAMICS CORPORATION

PATENTANSPRÜCHE

ßlektromechanlscher akustischer Übertrager mit einem Gehäuse und mindestens einem Element, das gegenüber Druck und/oder eignem elektrischen Signal empfindlich ist und in dem Gehäuse unter Ermöglichung einer Biegebewegung gehalten ist und zwischen Elektroden, um an das Element elektrische Signale anzulegen oder von diesem abzunehmen, dadurch gekennzeichnet, daß das empfindliche Element (21, 22, 62, 82) in einem angetriebenen strahlenden Abschnitt eines biegsamen Vibrationsgliedes (23, 64, 83) gehalten ist, das seinerseits in dem Gehäuse mit Hilfe eines Randes (36, 96) gehalten ist, der durch Gelenke (37, 67, 97) mit dem angetriebenen, strahlenden Abschnitt -(35* 63, 95) verbunden ist.
2. Elektromechanischer akustischer Übertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberfläche und mindestens zwei entgegengesetzte Enden des empfindlichen Elementes (21, 22, 62, 82) starr angeschlossen sind an und verbunden sind durch eine entsprechende Höhlung (4, 5) oder Rinne (8l) mit Kragen (7, 8, 106, 106a), die über die Gelenke (37* 67, 97) mit dem Rand (36, 96, 96a) verbunden sind.
3. Elektromechanischer akustischer Übertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenke (37* 67, 97) durch Rillen (38, 39, 98, 99) gebildet werden, die relativ zu einer neutralen Ebene (6) symmetrisch angeordnet sind und sich gegenüberliegen, wobei sie zwischen sich das entsprechende Gelenk bilden, wobei die Rillen den strahlenden Abschnitt (35, 63, 95) von dem Rand (36, 96) abtrennen.

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4. Elektromeehanisoher akustischer übertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden empfindlichen Elemente in koaxialen Höhlungen auf beiden Selten des strahlenden Abschnittes (35# 63» 95) gehalten sind und symmetrisch relativ zu der neutralen Ebene auf beiden Selten einer dünnen mittleren Scheibe (9).
5. Elektromechanischer akustischer übertrager gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vibrationsglied eine rechteckförmige Gestalt hat und mindestens eine Rinne (81) zum Halten einer Vielzahl von empfindlichen Elementen (82) in der Rinne, wobei die Elemente (82) Seite an Seite mit dazwischenliegenden Elektroden (85, 86) angeordnet sind.
6. Elektromechanischer akustischer Übertrager gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das empfindliche Element ein piezoelektrisches Element gegebener Dicke ist und so polarisiert ist, daß es sich in Abhängigkeit von einem elektrischen Signal entsprechender Polarität, das an die bei« den Seiten des piezoelektrischen Elementes angelegt wird, längs oder radial expandiert und kontrahiert.
7. Elektromechanischer akustischer übertrager gemäß irgendeinem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes empfindliche Element auf den strahlenden Abschnitt entlang der einen Oberfläche und entlang von diesen Enden aufgekittet ist, wodurch das Element innerhalb der Höhlung oder der Rinne durch die Kragen eingeklemmt und vorgespannt wird.
8. Elektromechanischer akustischer übertrager nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 7# dadurch gekennzeichnet, daß die Kragen (7, 8, IO6, 106a) eine Höhe haben, die im wesentlichen der Dicke des empfindlichen Elementes gleich 1st.
9.' Elektromeohanischer akustischer übertrager nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenke (37, 67, 97) gegenüber der Biegung des strahlenden Abschnittes (35, 63, 95) einen geringen Widerstand und gegenüber der radialen und axialen Bewegung des strahlenden Abschnittes einen hohen Widerstand haben.

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