DE1096095B

DE1096095B - Piezoelectric flexural oscillator made of polycrystalline, dielectric material

Info

Publication number: DE1096095B
Application number: DES54841A
Authority: DE
Inventors: Heinz Kehbel
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1957-08-22
Filing date: 1957-08-22
Publication date: 1960-12-29

Description

DEUTSCHESGERMAN

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Umformer mit einem Schwingkörper aus einem polykristallinen, dielektrischen Werkstoff, der elektrische Energie in mechanische Energie überzuführen vermag, oder umgekehrt. Als polykristalliner Werkstoff kann z. B. Bariumtitanat bzw. eine bariumtitanathaltige Keramik verwendet werden.The invention relates to a piezoelectric converter with an oscillating body made of a polycrystalline, dielectric material, the electrical Able to convert energy into mechanical energy, or vice versa. As a polycrystalline material z. B. barium titanate or a barium titanate ceramic can be used.

Es ist bekannt, Biegeschwinger aus piezoelektrischen Werkstoffen in der Form herzustellen, daß man zwei beiderseitig mit Metallbelägen versehene flache Plättchen fest miteinander verbindet. Die Güte solcher Schwinger hängt entscheidend von den Eigenschaften der Verbindungsschicht ab. Es ist nun sehr schwierig, dieser Verbindungsschicht die erforderlichen elastischen Eigenschaften zu geben, die denen des Plättchens entsprechen. Weiterhin ist es schwierig, die Homogenität und mechanische Festigkeit der Verbindungsschicht so zu gestalten, daß die Schicht beim Betrieb solcher Biegeschwinger den auftretenden Beanspruchungen genügt. Um von den Eigenschaften solcher Verbindungsschichten unabhängig zu sein, ist es auch bekannt, den Bieger als rohrförmigen Körper auszubilden, bei dem die beiderseitig eines gedachten Längsschnittes getrennt aufgebrachten Metallbeläge zwei Schwinger darstellen, die durch die unmetallisierten Teile des Körpers mechanisch miteinander verbunden sind. Bei der Herstellung solcher rohrförmiger Biegeschwinger treten jedoch auch insofern Schwierigkeiten auf, als eine Metallisierung der außerordentlich klein zu haltenden Innenbohrung nur schwer gelingt. Außerdem lassen sich solche Körper, deren Innenabmessungen Bruchteile eines Millimeters betragen sollen, aus keramischen Massen nur sehr schwer herstellen, da sich sowohl bei der Formgebung im plastischen Zustand und während der Trocknungs- und Brennvorgänge die Innen bohrung so verformt, daß wiederum eine spätere gleichmäßige Metallisierung praktisch unmöglich wird.It is known to produce flexural oscillators made of piezoelectric materials in the form that you have two firmly connects flat plates with metal coverings on both sides. The goodness of such Schwinger depends crucially on the properties of the connecting layer. It is very difficult now to give this connecting layer the necessary elastic properties similar to those of the platelet correspond. Furthermore, it is difficult to maintain the homogeneity and mechanical strength of the connecting layer to be designed in such a way that the layer can withstand the stresses occurring during operation of such flexural vibrators enough. In order to be independent of the properties of such connecting layers, is It is also known to design the bender as a tubular body in which the two sides are imagined Longitudinal section of separately applied metal coverings show two transducers, which are through the unmetallized Parts of the body are mechanically connected to each other. In the manufacture of such tubular Flexural oscillators, however, also arise difficulties in that a metallization of the extraordinarily It is difficult to achieve an inner bore that is to be kept small. In addition, such bodies, their internal dimensions Should be a fraction of a millimeter, very difficult to manufacture from ceramic masses, because both in the shaping in the plastic state and during the drying and Burning processes deform the inner bore in such a way that, in turn, a later uniform metallization becomes practically impossible.

Gemäß der Erfindung werden die genannten Schwierigkeiten durch einen einteiligen Schwingkörper beseitigt, der mindestens einen senkrecht zur Biegerichtung und in Richtung der Längsachse verlaufenden, nach außen offenen Einschnitt aufweist, dessen Flächen zur Aufnahme der den Außenelektroden gegenüberliegenden Innenelektroden dienen. Vorteilhafterweise kann der Schwingkörper einen H-förmigen Querschnitt aufweisen. Es ist jedoch auch möglich, einen X-förmigen oder einen U-förmigen Querschnitt für den Schwingkörper zu verwenden. Bei einem X-förmigen Querschnitt des Schwingkörpers sind vier paarweise gegenüberliegende, senkrecht zur Biegerichtung verlaufende Einschnitte vorhanden, deren Flächen zur Aufnahme der Elektroden dienen.According to the invention, the difficulties mentioned are alleviated by a one-piece oscillating body eliminates the at least one perpendicular to the bending direction and in the direction of the longitudinal axis, has outwardly open incision, the surfaces of which for receiving the external electrodes opposing internal electrodes are used. The oscillating body can advantageously be H-shaped Have cross-section. However, it is also possible to have an X-shaped or a U-shaped cross section to be used for the oscillating body. In the case of an X-shaped cross section of the vibrating body, there are four In pairs, opposing incisions running perpendicular to the bending direction are present, their surfaces serve to hold the electrodes.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Schwing-Piezoelektrischer BiegeschwingerThe inventive design of the oscillating piezoelectric flexural oscillator

aus polykristallinem,
dielektrischem Werkstoffmade of polycrystalline,
dielectric material

Anmelder:Applicant:

Siemens-SchuckertwerkeSiemens-Schuckertwerke

Aktiengesellschaft,Corporation,

Berlin und Erlangen,Berlin and Erlangen,

Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Heinz Kehbel, Redwitz,
ist als Erfinder genannt wordenHeinz Kehbel, Redwitz,
has been named as the inventor

körpers hat den großen Vorteil, daß keine abgeschlossenen Hohlräume vorhanden sind und somit die Metallbeläge auf Flächen aufgebracht werden, die von außen zugänglich sind.body has the great advantage that there are no closed cavities and thus the metal coverings be applied to surfaces that are accessible from the outside.

Der Biegeschwinger nach der Erfindung kann sowohl als Geber als auch als Empfänger vielfältige Anwendung finden. Beispielsweise kann er als Tonabnehmerelement vorteilhaft sein. Entsprechend seiner Zweckbestimmung können seine Länge und sein Durchmesser beliebig groß oder klein gewählt werden und in einem beliebigen Verhältnis zueinander stehen.The flexural oscillator according to the invention can be used both as a transmitter and as a receiver Find application. For example, it can be advantageous as a pickup element. According to his For its intended purpose, its length and diameter can be selected as large or small as desired and are in any relation to one another.

In den Fig. 1 bis 8 sind Ausführungsbeispiele der1 to 8 are exemplary embodiments of the

Erfindung schematisch dargestellt.Invention shown schematically.

Die Fig. 1 und 2 zeigen Biegeschwinger mit einem H-förmigen Querschnitt in perspektivischer Darstellung, bei denen sämtliche Metallbeläge 1, 2, 3 und 4 auf von außen zugänglichen Flächen des Körpers aufgebracht sind. Derartige Schwingkörper können in der durch Pfeile angegebenen Richtung in bekannter, durch Anlage der positiven und negativen Potentiale angedeuteten Weise polarisiert werden, wobei die Beläge 2 und 3 miteinander verbunden werden. Durch die Pfeile ist gezeigt, daß gemäß Fig. 1 die beiden plattenförmigen Teile 9 und 10 des Schwingkörpers in gleicher Richtung, gemäß Fig. 2 dagegen in gegensinniger Richtung polarisiert werden können.1 and 2 show flexural oscillators with an H-shaped cross section in a perspective view, in which all metal coverings 1, 2, 3 and 4 are applied to surfaces of the body that are accessible from the outside are. Such vibrating bodies can in the known direction indicated by arrows, by Plant the positive and negative potentials indicated way are polarized, with the coverings 2 and 3 are connected to each other. The arrows show that, according to FIG. 1, the two plate-shaped Parts 9 and 10 of the vibrating body in the same direction, according to FIG. 2, however, in opposite directions Direction can be polarized.

Die Fig. 3 und 4 stellen Seitenansichten der mit den Fig. 1 und 2 perspektivisch gezeichneten Schwing-3 and 4 represent side views of the oscillating, drawn in perspective with FIGS. 1 and 2,

009 680/141009 680/141

körper dar, und zwar nach einer Biegung des Schwingkörpers senkrecht zur Längsachse und senkrecht zu den Belagflächen. Bei einer solchen Biegebeanspruchung wird der plattenförmige Teil 9 des Schwingkörpers gedehnt und der Teil 10 zusammengedrückt. Wurde die Polarisation der zwei plattenförmigen Teile des Schwingers gleichsinnig, wie in Fig. 1 dargestellt, durchgeführt, so entstehen am gedehnten plattenförmigen Teil 9, wie in Fig. 3 dargestellt, die umgekehrten Potentiale wie im gedrückten Teil 10, und die Spannungsabnahme erfolgt durch Parallelschaltung der beiden Teile.body, namely after a bend of the oscillating body perpendicular to the longitudinal axis and perpendicular to the pavement areas. With such a bending stress, the plate-shaped part 9 of the oscillating body stretched and the part 10 compressed. Became the polarization of the two plate-shaped parts of the oscillator in the same direction, as shown in Fig. 1, then arise on the stretched plate-shaped Part 9, as shown in Fig. 3, the reversed potentials as in the depressed part 10, and the voltage decrease takes place by connecting the two parts in parallel.

Wurde dagegen die Polarisation gegensinnig, wie in Fig. 2 dargestellt, ausgeführt, so entstehen am gedehnten Teil 9 die gleichen Spannungen wie am gedrückten Teil 10. Die durch die Biegung entstehenden elektrischen Spannungen, die man an den Belägen 1 und 4 abnimmt, summieren sich dann durch Hintereinanderschaltung, wie in Fig. 4 dargestellt.If, on the other hand, the polarization was carried out in opposite directions, as shown in FIG stretched part 9 the same stresses as on the pressed part 10. The resulting from the bending electrical voltages that are taken off at pads 1 and 4 then add up by connecting them in series, as shown in FIG.

Fig. 5 zeigt einen U-förmigen Querschnitt, Fig. 6 einen H-förmigen Querschnitt, bei dem die beiden Einschnitte 5 und 6 sich nach außen vergrößern.Fig. 5 shows a U-shaped cross section, Fig. 6 shows an H-shaped cross section in which the two Incisions 5 and 6 enlarge outwards.

In Fig. 7 ist ein Schwingkörper mit X-förmigem Querschnitt dargestellt, während Fig. 8 wiederum einen Schwingkörper mit einem H-förmigen Querschnitt darstellt, welcher zur Verbesserung der Steifheit Ansätze 7 und 8 aufweist.In FIG. 7, an oscillating body with an X-shaped cross section is shown, while FIG. 8 again represents a vibrating body with an H-shaped cross section, which is used to improve the rigidity Approaches 7 and 8 has.

Claims

Patent claims:

1. Piezoelectric flexural oscillator made of polycrystalline, dielectric material, in particular of barium titanate or ceramics containing barium titanate, characterized in that the one-piece oscillating body has at least one incision which is perpendicular to the bending direction in the direction of the longitudinal axis and is open to the outside, the surfaces of which are intended to accommodate the Outer electrodes (1, 4) opposite inner electrodes (2, 3) are used.

2. A flexural oscillator according to claim 1, characterized in that the oscillating body has a Has an H-shaped cross section (Fig. 1,2,6 and 8).

3. Flexible oscillator according to claim 1, characterized by an X-shaped cross section of the Oscillating body (Fig. 7).

4. Flexural transducer according to claim 3, characterized by four opposing pairs, In particular, incisions of different thicknesses, the surfaces of which run perpendicular to the bending direction serve to hold the electrodes.

5. A flexural oscillator according to claim 1, characterized in that the oscillating body has a Has a U-shaped cross section (Fig. 5).

1 sheet of drawings