DE2158079A1 - Elektromechanischer schwingungswandler - Google Patents

Description

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iUs Ai-: 'A'J 23.11.1971

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SESCOSEM - Societe Europeenne de Semiconducteurs et de Microelectronique, Paris 16, Boulevard Murat 101 (Prankreich)

"Elektromechanischer Schwingungswandler"

Priorität vom 24. November 1970 aus der französischen Patentanmeldung Nr. 70/42 I66

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Schwingungswandler mit einer Abtastnadel an dem einen Ende eines zumindest einen Bereich erhöhter Biegsamkeit aufweisenden Nadelträgers, sowie einem in diesem Bereich angeordneten, dessen Verformungen in ein elektrisches Signal umsetzenden Wandler.

Derartige Schwingungswandler werden insbesondere als Mono- oder Stereotonabnehmer für Schallplatten verwendet.

Die Arbeitsweise von Tonabnehmern beruht darauf, daß eine Abtastnadel durch mechanische Anordnungen gezwungen wird, den Rillen der Schallplatten zu folgen und deren die Toninformation enthaltende Gravur, die im allgemeinen durch die seitlichen Planken dieser Rillen wiedergegeben wird, in Bewegungen umzusetzen, die in einem Nadelträger Biegebewegungen hervorrufen.

Dieser steht in Verbindung mit einem Wandler, der die mechanischen Spannungen in elektrische Signale umsetzt.

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Es sind bereits Tonabnehmer bekannt, die als Wandler einen Halbleiter verwenden, dessen Leitfähigkeit durch die mechanischen Spannungen geändert wird. Mit der deutschen Patentanmeldung P 20 5k 3^6.8 wurde auch bereits vorgeschlagen, als Halbleiter einen Metalloxyd-Feldeffekttransistor zu verwenden, der auf einem aus beispielsweise Acrylharz bestehenden Nadelträger angeordnet ist.

Wenngleich dieser vorgeschlagene Tonabnehmer ausgezeichnete Eigenschaften hinsichtlich der Wiedergabetreue besitzt und sowohl die höchsten als auch die tiefsten Frequenzen im Hörbe-P reich wiederzugeben vermag, hat er andererseits jedoch Mängel hinsichtlich der Empfindlichkeit und der Entkopplung der Stereokanäle. Bei dem vorgeschlagenen Tonabnehmer ist nämlich das halbleitende Substrat in einem abgeflachten, erheblichen geringeren Querschnitt als der übrige Nadelträger aufweisenden Bereich desselben angebracht. Die aus der Abflachung und dem Substrat bestehende Einheit kommt hinsichtlich der Empfindlichkeit und der Entkopplung der geometrisch und mechanisch idealen Anordnung nur unvollkommen nahe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromechanischen Schwingungswandler der eingangs genannten Art zu | schaffen, dessen Aufbau soweit wie möglich den hinsichtlich hoher Empfindlichkeit und hoher Entkopplung idealen Bedingungen entspricht. Diese Aufgabe ist bei dem hier vorgeschlagenen elektromechanischen Schwingungswandler erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der biegs.ame Bereich aus einem halbleitenden Substratplättchen besteht und der Wandler in das Substratplättchen integriert ist.

Hierdurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß der Wandler ein integrierender Bestandteil des Nadelträgers ist. Dies hat einerseits eine erhebliche Steigerung der Empfindlichkeit des Schwingungswandlers zur Folge und erhöht andererseits

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die Entkopplung zwischen den Stereokanälen am Ausgang des

ermöglicht Schwingungswandlers auf 20 dB. Außerdem/die Biegsamkeit des Nadelträgers in der Ausbildung nach der Erfindung zusammen mit der Verwendung eines halbleitenden Substratplättchens eine verbesserte Nachgiebigkeit der Abtastnadel, so daß diese fünfbis zehnmal tieferen Gravuren der Rillen folgen kann, als dies im Falle von .ie o-elektrischen Plättchen möglieh ist. Gleich- zeitig mit der Erhöhung der Empfindlichkeit auf etwa das Fünffache gegenüber dem eingangs erwähnten mit der deutschen Patentanmeldung vorgeschlagenen Tonabnehmer wird auch das Signal/ Rausch-Verhältnis im selben Ausmaß von etwa 14 dB verbessert.

Eine zur Erzielung der hohen Empfindlichkeit vorteilhafte Ausführungsform des Schwingungswandlers nach der Erfindung besteht darin, daß der biegsame Bereich zwischen biegesteifen Teilen des Nadelträgers liegt.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß der biegsame Bereich nur in einer durch, die Verschiebungen der Abtastnadel bestimmten Richtung biegsam ist.

Eine für die Abtastung von Stereoschallplatten besonders geeignete Ausführungsform des Schwingungswandlers zeichnet sich dadurch aus, daß er zwei zueinander senkrecht stehende halbleitende Substratplättchen enthält, von denen jedes parallel zu den Flächen der Rillen einer Stereoschallplatte liegt.

Die einzelnen Merkmale der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert, die unter anderem beispielsweise gewählte Ausführungsformen schematisch veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 "eine perspektivische Darstellung eines elektromechanischen Schwingungswandlers, der mit der erwähnten deutschen Patentanmeldung vorgeschlagenen Art,

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Pig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines wesentlichen Teiles des Wandlers nach Pig* I₅

Fig« 3 eine vergrößerte perspektivische Darstellung der Äbtastnadel und der Flanken einer Rille einer Stereoschallplatte ,

Fig* 4 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform des Schwingungswandlers nach der Erfindung,

Fig. 5'und 6 zwei Seitenansichten des Schwingungswandlers nach der Erfindung zur Erläuterung der Verbindung der Substrat· plättchen mit den übrigen Teilen des Nadelträgers*

Der elektromechanisch^ Schwingungswandler nach Fig. 1 ist zur Abtastung vpn Stereo-Schallplatten geeignet und weist zwei Schwingungswandler T^ und T₂ auf, die an abgeflachten Stellen geringeren Querschnittes a^ und a₂ eines biegsamen Nadelträgärs 1 befestigt sind. Bei dieser Ausführungsform, die dem Vorschlag nach der genannten deutschen Patentschrift entspricht, 1st der Nadelträger 1 länglich oder stabförmig ausgebildet und mit seinem einen Ende an der Wand 3 eines Gehäuses 4 befestigt, während sein anderes Ende die Abtastnadel 2 aus Diamant oder Saphir trägt.

Die Wandler T₁ und T₂ sind Feldeffekttransistoren, beispielsweise Metalloxydtypen (MOS-FET), deren Source- und Drain-Elektroden mit Hilfe nicht dargestellter Leitungen mit den Anschlüssen S^, d^j, S₂J d₂ (Source- und Drain-Anschlüsse der beiden Transistoren) an der Wand 3 verbunden sind* Das Steuergitter jedes Transistors ist mit dessen Source-Elektrode über eine nicht dargestellte direkte metallische Verbindung verbunden.

• In Fig. 3,ist einerseits das Ende einer Abtastnadel 2 perspektivisch und andererseits ein Schnitt durch eine Rille einer Stereoschallplatte 6 dargestellt; deren Seitenflanken f₁ und f~

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verlaufen Jeweils unter einem Winkel von 45° zu der auf der Schnittebene senkrecht stehenden Mittelebene. Die die Planken f* und fp enthaltenden Spurebenen AA und BB stehen folglich senkrecht aufeinander. Zufolge der Gravur dieser Planken, deren Verlauf das aufgezeichnete Schallsignal wiedergibt, wird die Abtastnadel 2 in Schwingungen versetzt, deren Richtungen senkrecht aufeinander stehen.

Aus den Fig. 1 und 4 ist zu erkennen, daß die Ebenen der halbleitenden Plättchen T^ und T₂ senkrecht aufeinander stehen, wodurch die mit dieser Ausführung maximal vereinbare Entkopplung zwischen den beiden Atereokanälen erzielt wird.

Bei dem Schwingungswandler nach der Erfindung, wie er in Fig. 4 dargestellt ist, besteht der Nadelträger aus mehreren Teilen. Dies sind der Reihe nach: Das die Abtastnadel 2 tragende Kopfstück 12; ein Halbleiterplättchen 13 (Feldeffekttransistor oder integrierte Schaltung); ein Ring l4; ein Halbleiterplättchen 15, das ebenso ausgebildet ist wie das Halbleiterplättchen 13, jedoch in einer zu letzterem senkrechten Ebene liegt; sowie eine Hülse 16, die in einem die mechanischen Schwingungen dämpfenden Block 17 eingespannt ist.

Die Abtastnadel 2 ist sphärisch oder elliptisch geschliffen und besteht aus Saphir oder aus Diamant. Sie ist an dem Kopfstück 12 beispielsweise durch Löten oder Kleben mechanisch starr befestigt.

Das Kopfstück 12 besitzt eine Länge von etwa 1 cm und einen Querschnitt von einigen Quadratmillimetern. Sie besteht aus einem Material hoher Steifigkeit, z.B. aus Aluminium. Dieser Teil des Nadelträgers weist somit eine hohe Steiffheit in allen Biegerichtungen auf. Dies gilt jedoch nicht für die Plättchen 13 und 15,.die eine geringe Biegesteifheit in der Richtung senkrecht zu ihrer Großfläche haben.

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Der Ring l4 dient der Verbindung und der Lagehaitung der Plättchen 13 und 15. Infolge seiner zylindrischen Form weist er eine große Steifheit auf, d.h. einen großen Trägheitsmodul in allen Biegerichtungen.

Es ist jedoch auch eine Ausfuhrungsform des Nadelträgers möglich, die derjenigen nach Fig. 4 entspricht, Jedoch nur einen einzigen Wandler aufweist und bei der der Ring 14 an die Stelle der Hülse 16 tritt.

Die Hülse 16, die die mechanische Verbindung zwischen dem m. Plättchen 15 und dem Block 17 herstellt, besitzt ähnliche mechanische Eigenschaften wie das Kopfstück 12. Die Hülse 16 ist mit Metallisierungen 35, 36, 55 und 56 (letztere durch die Perspektive verdeckt) versehen.

Die Metallisierungen 35 und 36 sind über isolierte Drähte 33 und 3^ mit den Metallisierungen 31 und 32 des Halbleiters 13. verbunden. Die Metallisierungen 55 und 56 sind über ähnliche Drähte 53 und 54 mit den Anschlüssen 51 und 52 des Halbleiterplättchens 15 verbunden.

Bei der hier gewählten Ausführungsform ist der elektromechak nische Wändler ein Hableiter, der auf einem rechteckigen Plättchen oder Substrat gebildet ist, dessen eine Großfläche parellel zu derjenigen Rillenflanke ist, die abgetastet werden soll. Da die Flanken unter 45° gegen eine durch den Berührungspunkt zwischen der Abtastnadel und der Rille hindurchgehende vertikale Ebene geneigt sind, liegen die Halbleiterplättchen in Ebenen, die jeweils parallel zu den Flanken der Rillen verlaufen;, die abgetastet werden sollen. Die elektrischen Stromflußlinien von der Drain -Elektrode zu der Source-Elektrode verlaufen im wesentlichen parallel zu den Großflächen der Substrate, d.h. zu den Flanken.der Rillen. Bekanntlich ist mit dieser

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Anordnung die maximale Entkopplung zwischen den zwei Stereokanälen erzielbar.

Die Befestigung der Halbleiterplättchen auf den anderen Teilen des Nadelträgers soll extrem fest und dauerhaft sein. Die Einzelheiten der Befestigung sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt, die zwei verschiedenen Ausführungsformen entsprechen*

im Falle der Fig. 5 sind das Kopfstück 12 und der Ring 14 des Nadelträgers an ihren Enden derart bearbeitet, daß die Plättchen 13 und 15 an ihnen befestigt werden können. Hierzu sind Befestigungen 18 und 19 sowie 20 und 21 in passender Weise herausgearbeitet und vergoldet, um die vorher vergoldeten Substrate unter Bildung einer eutektischen Gold-Silizium-Legierung aufschweißen zu können. Das Plättchen 13 ist auf jeweils etwa einem Drittel seiner Länge mit den gegenüberliegenden Auflagen 18 und 19 verschweißt. Dasselbe gilt für das Plättchen 15» das mit den Auflagen 20 und 21 verschweißt ist.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform sind die Teile 12, lh und 16 in der Mitte mit Ausnehmungen versehen, die die Einführung der Enden der Plättchen 13 und 15 auf etwa einem Drittel ihrer Gesamtlänge ermöglicht. Die Verbindung der einzelnen Teile untereinander erfolgt durch Kleben, beispielsweise mittels eines synthetischen polymerisierbaren Harz.

Ein elektromechanischer Schwingungswandler nach der Erfindung kann beispielsweise folgende Eigenschaften habenσ

- Masse des nackten Wandlers: etwa 10 mg;

- Länge: etwa 2 cm;

- Abmessungen des Halbleiterplättchens: etwa 1 x 1,5 x 0,1 mm;

- mechanische Nachgiebigkeit oder Auslenkwert (compliance): etwa ΙΟ"·³ cm/dyne;

- Signalspannung bei Abtastung einer Gravur von 5 cm:see bei 1 000 Hz : 50 mV;

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- übersprechen zwischen den Stereokanälen am Ausgang des Tonabnehmersystems: etwa 20 dB.

Als Halbleiter- oder Substratplättchen können entweder SiIisiumplättehen oder Integrierte Schaltungen verwendet herden, die ausser dem eigentlichen schwingungsempfindliehen Element Verstärkerelemente enthalten. Diese letzteren können In einem Material hergestellt sein» das entweder Silizium oder ein biegsamer Werkstoff ist, von dem mindestens ein Teil halbleitend ist.

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Claims (7)

1. Dip!.-lng. Dipl. oec. pub». £ I O 8 0 7

   . PATEiMTANWALT
   Manchen 21 - Goilhaidstr. 8ί 23.11.1971

   Telefon 5617 62 683o-IV/He.

   SESCOSEM - Socie'te' Europeenne de Semiconducteurs et de Microelectronique, Paris 16, Boulevard Murat 101 (Prankreich)

   Patentansprüche;

   Elektromechanischer Schwingungswandler mit einer Abtastnadel an dem einen Ende eines zumindest einen Bereich erhöhter Biegsamkeit aufweisenden Nadelträgers, sowie einem in diesem Bereich angeordneten, dessen Verformungen in ein elektrisches Signal umsetzenden Wandler, dadurch gekennzeichnet, - daß der biegsame Bereich aus einem halbleitenden Substratplättchen besteht und der Wandler in das Substratplättchen integriert ist.
2. 2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der biegsame Bereich zwischen biegesteifen Teilen des Nadelträgers liegt.
3. 3. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der biegsame Bereich nur in einer durch die Verschiebungen der Abtastnadel (2) bestimmten Richtung biegsam ist.
4. 4. Wandler nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler ein in das Substratplättchen integrierter Metalloxyd-Feldeffekttransistor ist.
5. 5. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er zwei zueinander senkrecht stehende halbleitende Substratplättchen (13, 15) enthält, von denen jedes parallel zu den Planken Cf₁, f₂) der Rillen (5) einer Stereoschallplatte (6) liegt » (Fig. 3, 4).

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6. 6. Wandler nach Anspruch 5> dadurch gekennzeichnet, daß die halbleitenden Substratplättchen (13, 15) integrierte Schaltungen tragen.
7. 7. Wandler nach Anspruch 5j dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den halbleitenden Substratplättchen (13, 15) ein biegesteifer Teil (l4) des Nadelträgers liegt, und das erste Substratplättchen (13) zwischen dem öem ersten Ende (12) des Nadelträgers und diesem biegesteifen Teil (14) und das zweite Substratplättchen (15) zwischen dem biegesteifen Teil (14) und dem zweiten Ende (16) des Nadelträgers befestigt ist.

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