DE2355401B2 - Electromechanischer wandler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler, bestehend aus zwei zwischen parallelen Betriebselektroden liegenden, in Längsrichtung polarisierten, piezoelektrischen Keramikteilen rechtekkiger Gestalt, die jeweils von zwei gegenüberliegenden Hauptflächen und zwei in Längsrichtung der Keramikteile sich erstreckenden Seitenflächen begrenzt sind, bei dem das zur Schwingungserregung der Keramikteile an die Betriebselektroden gelegte elektrische Feld senkrecht zur Polarisierungsrichtung verläuft.

Wandler der vorstehenden Art können in mechanischen Filtern verwendet werden, die vor allem in Multiplexnachrichtensystemen von besonderer Wichtigkeit sind. Je höherwertiger die Multiplexverbindungen sind, um so höher sind die Anforderungen an ein in dem System verwendetes Filter, insbesondere hinsichilich seiner Selektivität und seiner Stabilität. In diesem Zusammenhang muß ein Filier einen Q-Wert (Gütefaktor) und eine Stabilität besitzen, welche wesentlich größer sein müssen als die entsprechenden Werte eines Filters, das herkömmliche elektrische Schaltelemente (Spulen, Kondensatoren) umfaßt, weil ein mechanischer Vibrator oder Resonator aus einem elastisch unveränderbaren Material besieht. Weitere wichtige Eigenschaften eines mechanischen Filters sind seine gedrungene Bauweise, seine Sicherheit und seine hohe Leistung.

Derartige mechanische Filter sind schon in verschiedenen Vorrichtungen verwendet worden. Mit Zunahme der Nachrichtentechnik haben besonders klein ausgebildete, mechanische Filter eine große Bedeutung erlangt. Be' einem mechanischen Wandler ist die Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz und seiner mechanischen Größe eindeutig bestimmt durch die Art der Schwingung. Zum Beispiel wird die Resonanzfrequenz für eine longitudinale oder torsionale Schwingung und für die Biegeschwingung durch die Länge und Stärke bestimmt. Bei einer longitudinalen und einer torsionalen Schwingung, die in einem mechanischen Resonator häufig verwendet werden. ist die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der longitudinalen Schwingung wesentlich höher als die der torsionalen Schwingung. Mit höherer Fortpflanzungsgeschwindigkeit ist ein mechanischer Resonator von gegebenen Abmessungen mit einer höheren Resonanzfrequenz versehen. Die torsionale Schwingung ist daher im Hinblick auf eine Miniaturisierung eines mechanischen Resonators vorteilhaft und erlaubt außerdem einen hohen ß-Wert und hohe Stabilität.

Aus der DT-OS 15 91 281 ist ein elektromechanischer Wandler bekanntgeworden, der Scherschwingungen ausführt. Dieser Wandler dient als elektromechanischer Transformator. Zur Erzielung eines Übersetzungsverhältnisses sind abwechselnd mehrere Schichten von Elektroden und piezoelektrischen Keramikteilen übereinandergelegt und derart mit elektrischen Eingangs- bzw. Ausgangsanschlüssen verbunden, daß zwischen den Ausgangsanschlüssen eine größere Anzahl von Keramikteilen liegt als zwischen den Eingangsanschlüssen. Die Polarisationseinrichti.iig der piezoelektrischen Kerarnikteile liegt parallel zu den Betriebselektroden, und die Betriebselektroden liegen parallel zu der Trennebene der Keramikteile. Ein solcher als Übertrager dienender Wandler weist mindestens drei Betriebselektroden auf. die einen höherem Herstellungsaufwand bedingen. Außerdem ist ein solcher Wandler, der in Scherschwingungsart betrieben wird, für Anwendungen in elektromechanischen Filtern mit hohem Gütefaktor und kleinen Abmessungen ungeeignet.

Weiterhin ist ein elektromechanischer Wandler mit einem piezoelektrischen Keramikteil, der im wesentlichen eine rechteckige Gestalt aufweist und entlang gegenüberliegenden Seiten entgegengesetzt gepolt ist, vorgeschlagen worden (DT-OS 23 46 978). Der vorgeschlagene Keramikkörper läßt sich leicht herstellen und polen und mit Elektroden in Verbindung bringen. Außerdem besitzt der Wandler einen hohen mechanischen Gütefaktor und eine niedrige Impedanz. Solche Eigenschaften sind besonders wichtig für ein mechanisches Signalfilter, das in einem Nachrichtenübertragungskanal (Kanal-Modulator-Demodulator) für höhere Trägerfrequenzen, wie z. B. 112 kHz, verwendet wird. Der Wandler besitzt jedoch ein relativ

großes Kapazitätsverhältnis (Streukapazität C₀/Serienresonanzkapazität C in einem äquivalenten Ersatzschaltbild) und ist somit in solchen Nachrichtenübertragungskanälen nicht besonders gee^:gnet, wo ein relativ kleines Kapazitätsverhältnis gefordert ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen elektromechanischen Wandler für Torsionsschwingungen anzugeben, der ein kleines Kapazitätsverhältnis aufweist und außerdem leicht herzustellen ist. Datei soll sich ein V'3ndler angeben lassen, der eine relativ hohe elektrostatische Kapazität besitzt. Weiterhin soll ein Wandler erhältlich sein, der einen mechanischen Gütefaktor und eir»3 Frequenzstabilität besitzt, die für eine Verwendung in einem Nachrichtenübertragungskanal ausreichend hoch sind.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß die antiparallel gepolten Keramikteile mit zwei ihrer Seitenflächen aneinandergrenzen und die ■:°weils in gleichen Ebenen zu liegen kommenden "beiden Hauptflächen der beiden Keramikteile gemeinsam an die beiden Bctriebseiektroden anschließen, die senkrecht zu der Trennebene der Keramikteile verlaufen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen mehr im einzelnen beschrieben. In den schematischen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführung eines erfindungsgemäßen Wandlers,

Fig. 2 eine ähnliche Ansicht einer zweiten Ausführung eines erfindungsgemäßen Wandlers,

Fig. 3 eine weitere ähnliche Ansicht einer dritten Ausführung eines erfindungsgemäßen Wandlers und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines mechanischen Filters mit zwei erfindungsgemäßen Wandlern.

Fig. 1 zeigt in schematischer, perspektivischer Ansicht einen elektromechanischen Wandler nach der Erfindung in einer ersten Ausführung. Der Wandler besteht aus zwei gleichen, im wesentlichen rechtwinkligen piezoelektrischen Keramikteilen 11 und 12, die in Längsrichtung gepolt sind und entlang längsseitigen Seitenflächen (Schmalseiten) aneinandergrenzen, wobei die zurückbleibende Polarisation antiparallel gerichtet ist, wie es die beiden Pfeile 13 und 14 zeigen. Das piezoelektrische Material kann z. B. Bariumtitanat (BaTiO,,) oder eine feste Lösung von Bleititanat (PbTiO₃) und Bleizirkonat (PbZrO₃) sein. Solche Keramikteiie lassen sich herstellen, indem in einem Block aus einem piezoelektrischen Material ein stabiles, kräftiges, elektrisches Gleichstromfeld im wesentlichen flächenparallel zum Block erzeugt wird. Hierzu sind zwei nicht dargestellte Elektroden zur Polung vorhanden. Anschließend wird der Block in dünne Kreamikteile geschnitten. Zwei solcher Keramikteile können in der vorstehenden Weise zusammengefügt werden, wobei eine elektrisch isolierende Klebe- oder Bindemassc verwendet wird. Der Wandler umfaßt weiter zwei Elektroden zur Erregung des Wandlers (in F i g. 1 einfachheitshalber nicht dargestellt), die an den gemeinsamen Hauptflächen der Keramikteile 11 und 12 anliegen.

F i g. 2 zeigt einen elektromechanischen Wandler gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung, wobei die entsprechenden Teile der Ausführung nach F ig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die Elektroden sind hier durch zwei mechanische Resonatoren oder Vibratoren 16 und

17 gebildet, vpn denen jeder wenigstens eine ebene Fläche aufweist. Die Keramikteüe 11 und 12 befinden sich zwischen den ebenen Flächen der Resonatoren 16 und 17 und sind mit diesen durch ein elektrisch leitendes Klebe- oder Bindematerial verbunden. Jeder Resonator 16 und 17 besteht aus einem elastisch beständigen Material von im wesentlichen zylindrischer Gestalt, die in Achsrichtung geschnittene gleiche Zylinderabschnitte bilden. Zwei elektrische Leitungen

18 und 19 sind an die entsprechenden Resonatoren 16 und 17 geführt, zum Anlagen einer den zylindrischen Wandler erregenden Wechselspannung durch eine Erregerquelle 20.

Es wird betont, daß die Erregerwechselspannung in F i g. 2 senkrecht zu den piezoelektrischen Keramikteilen 11 und 12 und entsprechend den Richtungen der zurückbleibenden Polarisation angelegt wird. Wie bekannt ist es ausreichend, zur Erzeugung einer Gleitbeanspruchung innerhalb des elektroslriktiven Wandlers, daß die Richtung der angelegten Wechselspannung senkrecht zur Richtung der zurückbleibenden Polarisation verläuft. Die Keramikteiie 11 und 12 sind daher einer Gleitbeanspruchung ausgesetzt, die in F i g. 2 durch die gestrichelten Pfeile 21 und 22 oder 23 und 24 veranschaulicht ist.

In Fig. 3 ist ein elektromechanischer Wandler gemäß einem dritten Ausführungsbeispie! nach der Erfindung dargestellt. Dabei sind entsprechende Teile der Fi g. 1 und 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Elektroden werden von mechanischen Resonatoren 16 und 17 gebildet, die jeweils wenigstens eine ebene Fläche aufweisen. Die Resonatoren 16 und 17 bestehen jeder aus einem elastisch beständigen Material von gleicher rechteckiger, parallelflächiger Gestalt, wobei der Wandler einen Quader bildet.

Es besteht die Möglichkeit, lediglich einen der Resonatoren 16 und 17 als eine Elektrode zu verwenden, wöbe; dann die andere Elektrode aus einem Metallfilm, z. B. aus einem aufgedampften Goldfilm, besteht, der mit einer der beiden gemeinsamen Hauplflächen der Keramikteiie 11 und 12 in Kontakt ist.

In F i g. 4 ist ein elektromechanisches Filter dargestellt, das zwei elektromechanische Wandler 31 und 32 gemäß der Erfindung und mehrere mechanische Resonatoren 33 umfaßt. Ein Kupplungsstab 34 ist an die Wandler 31 und 32 und an die mechanischen Resonatoren 33 angeschweißt.

Es wurden einige Bleizirkonat-Titanat-Keramikteile von 12 mm Länge, 2,1 mm Breite und 1 mm Stärke vorgesehen. Für die radiale Schwingung betrug der elektromechanische Kopplungsfaktor 65"/«, und der mechanische Gütefaktor Q_m betrug ¹OOO. Die Keramikteile wurden gepolt, indem ein elektrisches Gleichstromfeld zwischen 2 und 5 kV/mm bei 100^cC 30 Minuten lang angelegt wurde. Mechanische Resonatoren wurden aus Stäben aus einer Eisen-Nickel-Chrom-Lcgierung geschnitten, die unter der Bezeich-■lung »Elinvar« bekannt ist. Der Stab hatte einen Durchmesser von 4,2 mm. war 12 mm lang, wies eine zylindrische Form auf, wie sie in den Fig. 2 und 4 dargestellt ist, und wurde 1.6 mm sagittal aufgeschnitten (zwei Zylinderabschnitte mit Höhen von jeweils 1,6 mm). Außerdem wurden rechteckige, parallelflächige, mechanische Resonatoren von 12 mm Länge, 4,2 mm Breite und 1,6 mm Stärke aus »Elinvar« hergestellt. Die Hauptflächen der piezoelektrischen

Keramikteile 11 und 12 und die ebenen Flächen der Resonatoren 16 und 17 wurden spiegelglatt ausgeführt. Das elektrisch isolierende Klebe- oder Bindematerial enthält einen Epoxyharz als Hauptkompo-Klebe- oder Bindematerial besteht hauptsächlich aus einer Silberpaste.

Die nachstehende Tabelle zeigt ein typisches Ergebnis mit torsionalcr Vibration für verschiedene Kom-

nente, das unter dem Warenzeichen »Araldit« der 5 hinationen von piezoelektrischen Keramiktcilen und Ciba-Werke bekannt ist. Das elektrisch leitende mechanischen Resonatoren.

Elcktromechanischcr Wandler	Resonanz	Kapazitäts	Mechanischer	Kapazität
	frequenz	verhältnis	Gütefaktor	bei 1 kHz
	kHz		Qm	pF
Fig.2	102,5	13	500	253
Fig.3	98,9	18	550	244
Fi g. 2 mit einem halbzylindrischen Resonator	95,8	63	600	250
F i g. 3 mit einer parallelflächigen Resonator	93,1	70	580	260

Aus der Tabelle folgt, daß die Resonanzfrequenz des elektromechanischen Wandlers nach der Erfindung niedrig ist im Vergleich zur Hauptmasse, daß der Wandler eine ausgezeichnete piezoelektrische Wirksamkeit und einen hohen elektromechanischen Wirkungsgrad besitzt und daß das Kapazitätsverhältnis ausreichend klein ist. Die Erniedrigung des Kapazitätsverhältnisses ist bemerkenswert, wenn jede

der Elektroden aus einem mechanischen Rcsonaioi besteht, wie er in den F i g. 2 und 3 vorgcscnlager ist. Die elektrostatische Kapazität ist ausrcichenc hoch und erreicht Werte in einigen Fällen bis 300 pF da die gemeinsamen Hauptflächen der piczoelek taschen Keramikteile 11 und 12 vorteilhafterweisi eine beträchtliche Breite aufweisen können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Elektromechanischer Wandler, bestehend aus zwei zwischen parallelen Betriebselektroden liegenden, in Längsrichtung polarisierten piezoelektrischen Keramikteilen rechteckiger Gestalt, die jeweils von zwei gegenüberliegenden Hauptflächen und zwei in Längsrichtung der Keramikteile sich erstreckenden Seitenflächen begrenzt sind, bei dem das zur Schwingungserregung der Keramikteile an die Betriebselektroden gelegte elektrische Feld senkrecht zur Polarisierungsrichtung verläuft, dadurch gekennnzeichnet, daß die antiparallel (13, 14) gepolten Keramikteile(ll, 12) mit zwei ihrer Seitenflächen tneinandergrenzen und die jeweils in gleichen Ebenen zu liegen kommenden beiden Hauptflächen der beiden Keramikteile gemeinsam an die beiden Betriebselektroden anschließen, die senkrecht zu der Trennebene der Keramikteile verlaufen.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei mechanische Resonatoren (16, 17) jeweils mit wenigstens einer ebenen Fläche vorgesehen sind, die jeweils eine Elektrode bilden, wobei die ebenen Flächen jeweils an die in einer gemeinsamen Ebene liegenden Hauptflächen der Keramikteile (11, 12) anschließen.

3. Wandler nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Körper mit einem zylindrischen Außenmantel, wobei die beiden Keramikteile (11, 12) sich entlang einer Ebene erstrecken, in der die Achse des zylindrischen Körpers liegt.

4. Wandler nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen prismen- oder quaderförmigen Körper mit einem quadratischen Querschnitt, wobei die beiden Keramikteile (11, 12) axial entlang einer Ebene angeordnet sind, die den Körper in zwei Hälften teilt.

5. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein mechanischer Resonator (16; 17) mit wenigstens einer ebenen Fläche vorgesehen ist, der die eine Elektrode bildet, wobei die ebene Fläche an die einen in einer gemeinsamen Ebene liegenden Hauptflächen der Keramikteile (11,12) anschließt.