DE2838288C3 - Piezoelektrischer Schwinger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Schwinger mit einem piezoelektrischen Flachmaterial und einer auf einer gedruckten Leiterplatte angeordneten Oszillatorschaltung.

Piezoelektrische Schwinger mit einer piezoelektrischen Zweiplattenanordnung sind als Niederfrequenzschwinger, wie beispielsweise Summer, bereits im Gebrauch. Die Zweiplaitenanordnung wird dadurch gebildet, daß zwei Flachmaterialien übereinandergeschichtet miteinander verklebt werden, von denen wenigstens eines ein piezoelektrisches Material ist, bei dem senkrecht zu einem elektrischen Feld longitudinal Verwerfungen eintreten. Beim Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes an das piezoelektrische Flachmaterial biegt dieses sich abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen durch. Dadurch wird elektrische Energie in mechanische Energie und mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt.

Piezoelektrische Schwinger können auch aus zwei zusammengeklebten piezoelektrischen Flachmaterialschichten mit entgegengesetzter Polarität bestehen und werden dann als symmetrische Zweiplattenanordnungen bezeichnet. 1st dagegen eine piezoelektrische Materialschicht mit einem anderen, nicht piezoelektrisehen Material, wie beispielsweise einem Metallblech, verklebt, wird diese Anordnung als asymmetrische Zweiplattenanordnung bezeichnet.

Piezoelektrische Zweiplattenschwinger eignen sich gut als Summer, denn sie haben eine hohe Lebensdauer, sind kontaktlos, arbeiten auf Halbleiterbasis, weisen eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf, verbrauchen wenig Leistung und sind in der Tonhöhe variabel.

Bei einem piezoelektrischen Summer mit asymmetrischer Zweiplattenanordnung ist beispielsweise ein kreisrundes piezoelektrisches Keramikflachmaterial konzentrisch mit einem anderen kreisförmigen Flachmaterial von größerem Durchmesser verklebt, so daß eine asymmetrische scheibenförmige Zweiplattenanordnung vom Biegeschwingertyp mit einem Resonanzknoten an der freien Umfangskante gebildet wird. Da eine freie Schwingung mit hohem Gütefaktor ausgenutzt wird, besteht ein hoher elektromechanischer Wandlerwirkungsgrad. Infolgedessen läßt sich in einem Abstand von einem Meter ein Schalldruck von mehr als 80 dB erzielen. Dabei wird eine Zweiplattenanordnung mit freischwingender Umfangskante benutzt, und der kreisförmige Schwingungsknotenbereich wird durch ein weiches Material abgestützt. Zum Betreiben der Zweiplattenanordnung aus einer Gleichstromquelle benutzt man gewöhnlich eine zusätzliche Oszillatorschaltung, beispielsweise mit einem Transistor. Gewöhnlich sind der Schwinger einerseits und die Oszillatorschaltung andererseits getrennt angeordnet, und die Oszillatorschaltung ist dabei auf einer gedruckten Leiterplatte untergebracht, deren Material sich von dem Material des Schwingers unterscheidet. > aher sind die bekannten piezoelektrischen Schwinger relativ voluminös. Ferner sind elektrische Verbindungen

in Form von an Anschlußfahnen angelöteten Drähten, beispielsweise zwischen der Zweiplattenanordnung und der Oszillatorschaltung, notwendig. Eine solche Verdrahtung ist aufwendig, kompliziert und führt zu einer Verteuerung des Summers.

Aus der US-PS 32 37 122 ist ein Oszillator bekannt, bei dem eine Scheibentriode von mehreren im Abstand voneinander angeordneten gedruckten Leiterplatten umgeben ist, auf denen der Kupferbelag durch entlang eines Kreises um die Scheibentriode angeordnete, kupferfreie Schlitzabschnitte in einen ersten und zweiten Abschnitt unterteilt ist, wobei zwischen den Kupferbelagabschnitten radial verlaufende Stege als Verbindungsabschnitte vorhanden sind, die als Induktivitäten wirken und zur Abstimmung der Oszillatorfrequenz benutzt werden. Bei dem bekannten Oszillator ersetzen die so gebildeten Streifenleitungen Koaxialkabel oder Topfkreise. Zwischen den einzelnen jeweils der Kathode, dem Gitter und der Anode der Scheibentriode zugeordneten Leiterplatten befinden sich AL standhalter aus einem Isoliermaterial und geben dem Oszillator bei leichtem Gewicht eine hohe mechanische Stabilität

In der US-PS 40 44 317 ist ein quarzgesteuerter Oszillator beschrieben, bei dem ein piezoelektrisches Material so an eine Leiterplatte angeheftet und derart an eine Schaltungsanordnung angekoppelt ist, daß das piezoelektrische Material zu einer Biegeschwingung angeregt wird. Dieser Oszillator dient ebenso wie der oben erwähnte Oszillator zum Erzeugen einer oberhalb der Hörgrenze liegenden Frequenz, und eine elektroakustisch^ Energieumsetzung ist nicht vorgesehen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Schwinger der eingangs genannten Art zu schaffen, der kompakt aufgebaut ist wenig Verdrahtung aufweist und billig sowie einfach herstellbar ist.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben, vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Nachstehend wird ein die Merkmale der Erfindung aufweisendes bevorzugtes Ausführungsbeispiel in Verbindung mit einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Perspektivdarstellung des nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispiels im zerlegten Zustand,

F i g. 2A eine teilweise schematische Draufsicht auf diese Ausführung,

F i g. 2B einen Schnitt im Verlauf einer Linie Ilß-IIß von F i g. 2A und

F i g. 3 ein Schaltbild eines transistorisierten Oszillators für einen piezoelektrischen Schwinger.

Das in F i g. 1 perspektivisch und zerlegt dargestellte Ausführungsbeispiel weist eine beispielsweise aus Epoxidharz unter Verwendung von Glasfasern hergestellte gedruckte Leiterplatte 1 auf, die durch eine Anzahl von im Kreis angeordneten Schlitzen 4 in einen kreisrunden Vibratorabsehnitt 21 und einen Tragabschnitt bzw. Oszillatorschaltungsabschnitt 22 unterteilt ist. Stehengebliebene Brückenabschnitte 3 zwischen den benachbarten Schlitzen 4 stützen und verbinden den Vibratorabsehnitt 21 mit dem Tragabschnitt 22. Bei der dargestellten Ausfiihrungsform sind drei in gleichen Abständen voneinander angeordnete Brückenabschnitte 3 vorhanden. Abgesehen von den schmalen Brückenabschnitten 3 trennen die Schlitze 4 den Vibratorabsehnitt 21 vollständig von dem Tragabschnitt 22. Der Vibratorabsehnitt 21 ist nur noch an drei durch die Brückenabschnitte 3 bestimmten Umfangspunkten unterstützt Die Schlitzbreite kann willkürlich gewählt werden, aber die Brückenabschnitte 3 müssen so breit sein, daß sie genügend mechanische Festigkeit zum Tragen des Vibratorabschniits 21 aufweisen.
Ferner ist ein scheibenförmiges piezoelektrisches Flachmaterialstück 5 aus einem Material wie Bariumtitanatkeramik oder Bleizirkonat-Titanat-Keramik (PZT) vorbereitet auf dessen Unterseite geeignete Haupt- und Hilfselektroden 51a bzw. 516 und auf dessen gesamter Oberfläche eine Elektrode 52 geformt sind. Sämtliche Elektroden 51a, 51 6 und 52 bestehen aus Silber. Somit ist das hier dargestellte Ausführungsbeispiel für einen piezoelektrischen Summer ein Drei-Elektroden-Typ. An sich sind piezoelektrische Drei-Elektroden-Summer bekannt doch unterscheiden sie sich wesentlich von der hier beschriebenen Ausführung. Es wird darauf hingewiesen, daß man piezoelektrische Summer auch als Zwei-Elektroden-Typ mit je einer durchgehenden Elektrode auf der Ober- und Unterseite des piezoelektrischen Flachmaterials ausführen kann, und daß die hier beschriebene Anordnung ebenso auf einen solchen piezoelektrischen Zwei-Elektroden-Summer anwendbar ist. Da Zwei-Elektroden-Typen in der Fachwelt sehr gut bekannt sind, wird es für überflüssig gehalten, auch einen solchen Zwei-Elektroden-Typ detailliert zu beschreiben.

Wie sich aus den Fig.2A und 2B entnehmen läßt, gehören zum Vibra torabschnitt 21 auf der unteren Oberfläche zwei Leiterplattenzonen 61a und 616, welche den unterteilten Haupt- und Hilfselektroden 51a bzw. 516 auf dem piezoelektrischen Flachmaterialstück 5 zugeordnet sind. Beide Leiterplattenzonen 61a und 616 erstrecken sich über je einen zugeordneten Brückenabschnitt 3 hinweg bis auf den Tragabschnitt bzw. Oszillatorschaltungsabschnitt 22, so daß auf diese Weise die Leiterplattenzone 61a mit einer L-förmigen Leiterbahn 71a und die Leiterplattenzone 616 mit einer diametral gegenüberliegenden L-förmigen Leiterbahn 716 verbunden ist. Außerdem gibt es gemäß Fig.2A noch in der rechten oberen und linken unteren Eckt: des Oszillatorschaltungsabschnitts 22 je eine L-förmige Leiterbahn 64 bzw. 62 als gedruckter Leiterbahnzug der Leiterplatte. Weiterhin ist eine U-förmige Leiterbahn 63 vorgesehen, die sich in der Darstellung ganz unten befindet. Jeweils das untere Ende der Leiterbahn 64 und das rechte obere Ende der Leiterbahn 63 erstrecken sich bis zur rechtsseitigen Außenkante der Leiterplatte 1 und bilden hier mit ( + ) und (—) bezeichnete Anschlußkontakte, so daß man die Leiterplatte 1 in eine

so Kontaktleiste einstecken und auf diese Weise die auf der Platte befestigte Schaltung anschließen kann.

Das scheibenförmige piezoelektrische Flachmaterialstück 5 ist mit einem Klebstoff so auf die entsprechende Oberfläche des Vibratorabschnitts 21 der Leiterplatte 1 aufgeklebt, daß die getrennten Haupt- und Hilfselektroden 51a bzw. 516 auf der unteren Oberfläche des scheibenförmigen Flachmaterialstücks 5 jeweils den zugeordneten Leiterplattenzonen 61a und 616 zugekehrt sind. Das Klebemittel kann entweder ein leitfähiger oder ein isolierender Stoff sein. Ist es ein leitfähiger Stoff, dann sind die Elektroden 51a und 516 auf der Unterseite elektrisch mit den Leiterplattenzonen 61a bzw. 616 verbunden. Ist dagegen das Klebemittel nichtleitend, dann sind die beiden Elektroden 5; 3 und 516 nur kapazitiv mit den Leiterplattenzonen 61a bzw. 616 gekoppelt In jedem Fall ist damit die nachstehend beschriebene Oszillatorschaltung vollständig. Dann wird die gesamte Flächenelektrode 52 auf der

Oberseite des piezoelektrischen Flachmaterialstücks 5 mittels eines elektrisch leitenden Drahtes 7 mit der U-förmigen Leiterbahn 63 des Oszillatorabschnitts 22 verbunden. Dieser elektrisch leitende Draht 7 kann mit der Elektrode 52 und dem Leiterabschnitt 63 beispielsweise durch Löten verbunden sein.

Die Basis eir.es zu dem Oszillatorschaltungsabschnitt 22 gehörenden Transistors TR ist mit dem oberen Ende der Leiterbahn 52, der Kollektor des Transistors TR mit dem unteren Ende der Leiterbahn 71a und der Emitter des Transistors TR mit dem oberen Ende der Leiterbahn 63 verbunden. Zwischen dem rechten Ende der Leiterbahn 71a und dem linken Ende der Leiterbahn 64 liegt ein Widerstand RZ, und zwischen dem oberen Ende der Leiterbahn 71 b und dem unteren Ende der Leiterbahn 64 liegt ein Widerstand R 3. Auf diese Weise wird ein Oszillatorschaltkreis für einen piezoelektrischen Summer geschaffen, dessen Schaltbild in F i g. 3 dargestellt ist.

Funktionsbeschreibung

Ein an der unterseitigen Hilfselektrode 51 b abgenommenes elektrisches Signal wird durch den Transistor TR verstärkt und der unterseitigen Hauptelektrode 51a zugeführt. Dadurch entsteht zwischen den Elektroden 51a und 52 des piezoelektrischen Flachmaterialstücks 5 ein elektrisches Feld, welches in dem piezoelektrischen Flachmaterialstück 5 eine Biegeschwingung verursacht. Als Ergebnis gelangt ein elektrisches Signal an die Hilfselektrode 5\b. Es wird eine positive Rückkoppelschleife mit dem Transistor TR und dem piezoelektrischen Flachmaterialstück 5 hergestellt und eine Oszillatorschaltung gebildet. Die zuvor erwähnte Biegeschwingung führt zu einer Schallabgabe. Die Hauptelektrode 51a dient als Elektrode zum Anlegen des elektrischen Feldes an das piezoelektrische Flachmaterialstück 5, ihr steht daher der wesentliche Flächenanteil des piezoelektrischen Materials zu. Dagegen dient die Hilfselektrode 5\b zur Aufnahme eines elektrischen Signals von der Schwingung zum Zwecke der positiven Rückkopplung.

Wenn auch vorstehend ein piezoelektrischer Dreielektroden-Typ-Summer beschrieben worden ist, so läßt sich die hier beschriebene Anordnung in gleichem Maße auch auf einen piezoelektrischen Zwei-Elektroden-Summer anwenden, wie bereits erwähnt worden ist.

Bei einer Versuchsanordnung des piezoelektrischen Summers hatte die gedruckte Leiterplatte 1 eine Dicke von 0,3 mm, der Durchmesser des Vibratorabschnitts 21 betrug 35 mm, das piezoelektrische Flachmaterialstück 5 war 0,2 mm dick und hatte einen Außendurchmesser von 25 mm, es stellte sich eine Vibratorfrequenz von etwa 2,8 kHz ein, und der Schalldruck betrug 80 dB in einem Abstand von 30 cm von der Oberseite des Summers.

Wenn auch beim vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel der Vibratorabschnitt kreisförmig ist, so könnte er alternativ dazu auch als Polygon gestaltet sein. Vorteilhafterweise ist das piezoelektrische Flachmaterialstück kleiner als der Vibratorabschnitt der gedruckten Leiterplatte, jedoch sollte es größer als der Schwingungsknoten sein. Es hat sich ferner gezeigt, daß sich die Vibratorfrequenz willkürlich in einen Bereich zwischen etwa 1 kHz bis etwa 5 kHz legen läßt, indem man die geometrischen Abmessungen des piezoelektrischen Flachmaterials und des Vibratorabschnitts entsprechend auswählt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer Schwinger mit einem piezoelektrischen Flachmaterial und einer auf einer gedruckten Leiterplatte angeordneten Oszillatorschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die gedruckte Leiterplatte (1) durch einen Schlitzabschnitt (4) in einen ersten und einen zweiten Abschnitt (21, 22) unterteilt ist, wobei zwischen den beiden Abschnitten (21, 22) ein Verbindungsabschnitt (3) vorhanden ist, über den der erste Abschnitt (21) an dem zweiten Abschnitt (22) gehalten ist, daß das piezoelektrische Flachmaterial (5) an dem ersten Abschnitt (21) der Leiterplatte (1) befestigt ist und daß auf dem zweiten Abschnitt (22) der Leiterplatte die Oszillatorschaltung (TR ...) angeordnet und in der Weise an das piezoelektrische Flachmaterial (5) angekoppelt ist, daß das an dem ersten Abschnitt (21) der Leiterplatte befestigte piezoelektrische Flachmaterial (5) zu einer Biegeschwingung veranlaßt wird.

2. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Oberseite und der Unterseite des piezoelektrischen Flachmaterials (5) Elektroden (52,51a, 5Xb) angeformt sind und daß auf dem ersten Abschnitt (21) der gedruckten Leiterplatte ein erstes gedrucktes Leitungsmuster (61 a, 61 b) ausgebildet ist, über das die Elektrode (51 a, 5Xb) auf der Unterseite des piezoelektrischen Flachmaterials (5) elektrisch wirksam mit der Oszillatorschaltung verbunden ist.

3. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Verbindungsabschnitt (3) ein das erste Leitungsmuster (61a, SXb) mit der Oszillatorschaltung verbindendes zweites Leitungsmuster (71 a, 71 /^aufgedruckt ist.

4. Piezoelektrischer Schwinger nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem zweiten Abschnitt (22) der Leiterplatte (1) ein zu der Oszillatorschaltung gehörendes drittes Leitungsmuster (62,63 64) gedruckt ist.

5. Piezoelektrischer Schwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode auf der Unterseite des piezoelektrischen Flachmaterials (5) mindestens in zwei Abschnitte (51a, SXb) und das erste gedruckte Leitungsmuster auf dem ersten Abschnitt (21) in mindestens zwei diesen Abschnitten (51a, 5Xb) zugeordnete erste Leitungsmusterabschnitte (61a, 61 b) unterteilt sind, daß der Verbindungsabschnitt (3) der Leiterplatte (1) und das zweite gedruckte Leitungsmuster darauf in mindestens zwei Verbindungsabschnitte mit je einem zugeordneten zweiten Leitungsmusterabschnitt (71a, TXb) unterteilt sind und daß die Abschnitte (51a, 516,1 der unterseitigen Elektrode jeweils durch die ersten Leitungsmusterabschnitte (61a, 6Xb) auf dem ersten Abschnitt (21) und durch die zweiten Leitungsmusterabschnitte (71a, 716,) auf den Verbindungsabschnitten (3) mit der Oszillatorschaltung (TR...) verbunden sind.

6. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsabschnitt (3) in eine Vielzahl von separaten Verbindungsabschnitten unterteilt ist.

7. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt (21) sowie das piezoelektrische Flachmaterial (5) die Gestalt einer kreisförmigen Scheibe haben und daß wenigstens zwei in gleichen Abständen voneinander, entlang dem Umfang des ersten Abschnitts (21) angeordnete Verbindungsabschnitte (3) im Schlitzabschnitt (4) vorgesehen sind, über die der erste Abschnitt (21) mit dem zweiten Abschnitt (22) gekoppelt ist.