DE1447995B2 - Elektromechanischer Wandler mit einem Piezo-Wi'1 er Standselement - Google Patents

Description

Es ist bekannt, durch spezielle Formgebung des Piezo-Widerstandselementes, beispielsweise durch Ausbildung einer Verjüngung in der Mitte des Elementes, die Auslenkung und damit auch den Wirkungsgrad von mit solchen Widerstandselementen arbeitenden elektromechanischen Wandlern zu erhöhen. Bei diesen bisher üblichen Wandlern wird das Piezo-Widerstandselement meist nicht nur in Längsrichtung des Elementes verlaufenden Kräften ausgesetzt, sondern es tritt meist noch eine mehr oder weniger große Biegebeanspruchung auf.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen elektromechanischen Wandler mit einem Piezo-Widerstandselement zu schaffen, der einen sehr einfachen gedrungenen und robusten Aufbau und trotzdem eine große Empfindlichkeit besitzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Piezo-Widerstandselement zwischen den beiden Hebelarmen eines Trägers befestigt ist, die an einem von den jeweiligen Befestigungsstellen des Piezo-Widerstandselementes im Abstand liegenden Punkt gelenkig miteinander verbunden sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wandlers ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei einem erfindungsgemäßen Wandler wird durch die Hebelwirkung des zweiteiligen Trägers die aufgebrachte Kraft verstärkt auf das Piezo-Widerstandselement übertragen und damit der Wirkungsgrad des Wandlers erhöht. Das Piezo-Widerstandselement ist dabei jedoch stets nur in Längsrichtung wirkenden Kräften ausgesetzt und wird daher nur entweder zusammengedrückt oder gedehnt. Ein erfindungsgemäßer Wandler eignet sich besonders gut als Tonabnehmer, zumal er im Sinne der Unteransprüche sehr klein und leicht auswechselbar ausgebildet werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 bis 4 zeigen mögliche Ausführungsformen für einen erfindungsgemäßen Wandler;

F i g. 5 und 6 zeigen mögliche Ausführungsformen für das bei einem erfindungsgemäßen Wandler anwendbare Piezo-Widerstandselement;

F i g. 7 zeigt an Hand eines Diagrammes die Änderung der Streckgrenze eines dünnen Siliciumstabes in Abhängigkeit von seiner Querschnittsfläche.

F i g. 1 zeigt eine erste Ausführungsform für einen erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandler 100. Er umfaßt ein fadenförmiges Piezo-Widerstandselement 120 von gleichmäßig kreisrundem Querschnitt, das an den Hebelarmen 122 und 124 eines mit einem relativ tiefen Querschlitz 136 versehenen Trägers 126 befestigt ist. Der Querschlitz 136 zwischen den Hebelarmen 122 und 124 und damit auch die freie Länge des den Querschlitz 136 überbrückenden Elementes 120 zwischen den Hebelarmen ist so schmal, daß das Element im Bereich der in Frage kommenden Bewegungen gedehnt und zusammengedrückt werden kann, ohne auszuknicken. Die Abmessungen des Elementes sind so gewählt, daß der Eulersche Grenzwert nicht überschritten wird.

Der Träger 126 besteht aus einem geschichteten Isoliermaterialkörper mit Leiterbelägen 130 und 132, z. B. aus Kupfer. Bei einer zweckmäßigen Ausbildungsform hat der Träger eine Länge von etwa 10 mm, eine Breite von etwa 1,5 mm und eine Dicke von etwa 0,5 mm, und der Durchmesser des Elementes 120 beträgt weniger als etwa 0,25 mm.

Der Träger ist an seiner Oberseite in Längsrichtung mit einer Nut 134 versehen, deren Tiefe ausreicht, um die Enden des Elementes 120 aufzunehmen. Zu diesem Zweck entsprechen Tiefe und Breite der Nut 134 etwa dem Durchmesser oder einer anderen mittleren Querabmessung des Elementes 120.

Die Nut 134 und der Querschlitz 136 unterteilen den oberen Belag 132 in vier Abschnitte 132 α, 132 ft, 132 c und 132 d. Der untere Belag 130 ist ungeteilt. Der Querschlitz 136 ist so ausgebildet, daß an dieser Stelle die Dicke des Trägers 124 möglichst gering wird. Die Breite des Schlitzes 136 beträgt in Richtung der Längsachse des Trägers etwa 0,25 mm. Die Leiterbeläge 130 und 132 haben eine Dicke im Bereich von etwa 0,0125 bis etwa 0,075 mm, beispielsweise von nur etwa 0,033 mm.

Der Querschlitz wird z. B. mit einer Diamantsäge eingeschnitten. Als Trägermaterial wird vorzugsweise Epoxyharz mit einer Glasfaserbasis verwendet, das bei den anzuwendenden Löttemperaturen keine Verformung erleidet und nicht zerstört wird.

Das Element 120, das eine Gesamtlänge von etwa 2,5 bis etwa 5,0 mm haben kann, wird fest in die Längsnut 124 eingebaut; zu diesem Zweck werden die Enden der Abschnitte 132 a bis 132 d des oberen Belages 132 mit den Enden des Elementes verlötet. Gewöhnlich verwendet man hierbei Indiumlot, da es eine niedrige Löttemperatur besitzt. Ein Ende 142 des Trägers wird mit dem metallischen Belag 138 überzogen und so die oberen Metallabschnitte 132 c und 132 d mit dem unteren Belag 130 elektrisch verbunden. Um die Festigkeit der Anordnung zu erhöhen, wird das Element in den Nuten zusätzlich mit Hilfe eines Epoxyharzkitts abgestützt.

Die beiden Abschnitte 132 α und 132 & am Ende 144 des Trägers 126, das von dem mit dem Belag 138 versehenen Ende 142 abgewandt ist, bilden den einen Anschluß 133, und das Ende des unteren Belages 130 bildet an dem Ende 144 den zweiten Anschluß 135 des Wandlers. Die beiden Anschlüsse 133 und 135 sind somit leitend mit den beiden Enden des Elementes 120 verbunden.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausbildungsform der Erfindung, bei der keine Längsnut 134 an der Oberseite des Trägers vorgesehen ist; abgesehen vom Fehlen der Längsnut 134 ähnelt der Träger 126 nach F i g. 2 im wesentlichen demjenigen nach Fig. 1. Gemäß F i g. 2 ist der obere Belag 132 in Querrichtung durch einen Schlitz 136 in zwei Abschnitte 132 e und 132/ unterteilt. Bei der Anordnung nach F i g. 2 hat das Piezo-Widerstandselement 150 eine flache Gestalt und die Umrißform einer Sanduhr, d. h., es weist zwischen zwei flachen Abschnitten 154 und 156 einen schmaleren Verbindungsabschnitt auf. Die Abschnitte 154 und 156 sind mit den Abschnitten 132 e und 132/ auf beiden Seiten des Querschlitzes 136 verlötet.

Ein solches Piezo-Widerstandselement 150 kann, wie F i g. 6 zeigt, aus einem flachen Piezo-Widerstandsmaterial mit einer Dicke von etwa 0,125 mm und einer Länge von etwa 1,9 mm hergestellt werden. Der schmalere Verbindungsabschnitt wird in der Weise hergestellt, daß man in die Längskanten des Materials Schlitze 158, 158 einätzt, deren Breite etwa 0.2 mm betraut, und daß man sowohl in die Oberseite als auch in die Unterseite des Materials Nuten 160,

160 einätzt. Der schmalere Verbindungsabschnitt, der hierbei eine Eulersche Säule 159 bildet, hat an seiner dünnsten Stelle in waagerechter Richtung eine Dicke von etwa 0,18 mm und in senkrechter Richtung eine Dicke von etwa 0,025 mm. Hierbei ist die Querschnittsform nicht rechteckig, sondern mehr oder weniger oval.

Das die Elektroden 133 und 135 tragende Ende 144 des Wandlers kann in einem Sockel od. dgl. eingesetzt werden. Das von diesem Sockel abgewandte andere Ende des Wandlers 100 kann sich ungehindert um das Gelenk 140 drehen, wie es in Fig. 1 bei A durch einen gekrümmten Pfeil angedeutet ist. Bei einer solchen Drehung tritt eine verringerte Bewegung zwischen den Oberkanten des Quer-Schlitzes 136 auf, wobei das zwischen diesen Oberkanten angeordnete Piezo-Widerstandselement dadurch beansprucht wird, daß es abwechselnd gedehnt und zusammengedrückt wird, wenn das freie Ende 142· beispielsweise durch die Nadel eines Tonab- ao nehmers Schwingungen ausführt.

Der Wirkungsgrad wird durch die Verwendung eines Kardangelenks verbessert, das im Vergleich zu dem Piezo-Widerstandselement eine sehr kleine Torsionskonstante aufweist. Das heißt, die Kraft, die erforderlich ist, um das freie Ende 142 ohne Piezo-Widerstandselement auszulenken, soll im Vergleich zu der Kraft, die erforderlich ist, um den Wandler mit Piezo-Widerstandselement auszubiegen, sehr klein sein. Zu diesem Zweck wird im wesentlichen das gesamte Trägermaterial an dem Gelenk entfernt, so daß im wesentlichen nur noch der dünne Belag 130 zurückbleibt, der die beiden Hebelarme 122 und 124 verbindet. Die Drehachse ist praktisch an dem Gelenk 140 selbst angeordnet, so daß an dieser Stelle nur eine sehr geringe Torsionskonstante zur Wirkung kommt. In der Praxis kann eine etwas größere Torsionskonstante, als sie durch den Kupferbelag 130 gebildet wird, erzeugt werden, indem man z. B. eine kleine Menge des Trägermaterials am Boden des Querschlitzes beläßt, so daß dieses Material das Kardangelenk in einem gewissen Ausmaß unterstützt, wobei immer noch die Torsionskonstante des Kardangelenks um die Drehachse 140 auf einem Betrag von weniger als etwa 5°/» der Torsionskonstände ^;#es Piezo-Widerstandselementes selbst gehaltenwir3. Das Kardangelenk verursacht nur eine sehr geringe'Steifigkeit um die Schwingungsachse X-X, und es verleiht dem Wandler eine erhebliche Starrheit um die neutrale Achse Z-Z und eine mittlere Steifigkeit gegen eine Durchbiegung um die Achse Y-Y.

Das freie Ende 142 schwingt um eine Schwingachse X-X, die parallel zu dem Schlitz 136 verläuft, so daß das Piezo-Widerstandselement längs einer zur Längsachse der Unterstützung parallelen Beanspruchungsachse gedehnt und zusammengedrückt wird. Jedoch kann nur eine sehr geringe Bewegung um die neutrale Achse Z-Z eintreten, die rechtwinklig zu den beiden anderen Achsen verläuft.

Der dynamische Widerstand der hier beschriebenen Piezo-Widerstandselemente 120 bzw. 150 beträgt etwa 100 Ohm. So macht es keine Schwierigkeiten, den effektiven Eingangswiderstand eines Verstärkers an den effektiven Widerstand des Piezo-Widerstandselements anzupassen.

F i g. 3 und 4 zeigen die Anwendung eines gemäß der Erfindung aufgebauten Wandlers als Beschleunigungsmesser. Gemäß F i g. 3 sind zwei Piezo-Widerstandselemente 150 α und 150 b vorgesehen, die Rükken an Rücken mit Hilfe einer elektrisch nicht leitender. Schicht 151 miteinander verbunden sind.

Der Abschnitt 154 a eines der Piezo-Widerstandselemente, z. B. des Elements 150 b, wird durch einen Gegenstand 152 unterstützt, der Beschleunigungen ausgesetzt ist, während sich der andere Abschnitt 156 a über die Unterstützung 152 hinaus erstreckt und an seinem äußeren Ende eine Masse M trägt, die mit Hilfe eines Drahtes W an dem Element aufgehängt ist. Bei dieser Anordnung wirkt praktisch jedes der Piezo-Widerstandselemente gegenüber dem anderen Element als Kardangelenk. Jedes Element ist um die Drehachse X-X nachgiebig, jedoch um die neutrale Achse Z-Z steif, d. h. längs der Achse, die parallel zu der Richtung verläuft, in welcher die Kraft auf das Ende des angelenkten Trägers aufgebracht wird, um zu bewirken, daß der freie Teil des Trägers gegenüber dem verankerten oder feststehenden Teil um das Gelenk gedreht wird. Wenn man die jeweils einer Eulerschen Säule entsprechenden Abschnitte 159 a sehr breit und über die ganze Breite jedes Elements sehr dünn ausbildet, weist jeder Abschnitt 159 a eine ausreichende Festigkeit auf, so daß er selbst als Kardangelenk wirken kann. Bei der Anordnung nach F i g. 3 wirkt somit jeder der breiten Abschnitte 159 a als gelenkiger Träger für das andere Element.

Der Wandler 153 trägt an seinem äußeren Ende eine Verbindungsleitung 138 a. Ferner sind an dem unterstützten Ende Zuleitungen 155 und 155 a vorgesehen, die ebenso wie eine Zuleitung 157 an der Unterstützung 152, z. B. mit einer Brückenschaltung verbunden werden können."

Gemäß F i g. 4 ist eine Masse M an einem Ende eines Trägers 161 befestigt, dessen anderes Ende fest mit einem Gegenstand 162 verbunden ist, der Schwingungen oder andere beschleunigte Bewegungen längs einer Achse Z-Z ausführen kann, die rechtwinklig zur Längsachse des Trägers 161 verläuft. Auf der ebenen Oberseite des Trägers 161 ist ein Piezo-Widerstandselement auf beiden Seiten einer Nut 164 befestigt, und ein weiteres Element ist auf beiden Seiten einer zweiten Nut 166 an der Unterseite des Trägers befestigt. Die Nuten begrenzen ein Gelenk, an dem die größte Durchbiegung des Trägers auftritt, wodurch die Empfindlichkeit der Anordnung erhöht wird.

Bei dem Beschleunigungsmesser nach F i g. 4 wird das obere Piezo-Widerstandselement gedehnt, während das untere Element zusammengedrückt wird, und das obere Element wird zusammengedrückt, wenn das untere Element gedehnt wird. Somit nimmt der Widerstand eines der Piezo-Widerstandselemente ab, wenn der Widerstand des anderen Elements zunimmt, und umgekehrt.

Die Brückenschaltung nach F ig. 11 kann dazu dienen, Änderungen des Widerstandsunterschiedes zwischen den beiden Piezo-Widerstandselementen des Beschleunigungsmessers nach Fig. 10 während der Beschleunigungsmessung nachzuweisen. Ferner kann in diesem Fall die Brücke ebenfalls in einen unabgeglichenen Zustand gebracht werden, so daß die Polarität des dem Registriersystem zugeführten Signals ohne Rücksicht auf das Vorzeichen der Beschleunigung unverändert bleibt.

F i g. 5 zeigt Einzelheiten des Piezo-Widerstandselements 200 gemäß F i g. 4. Die Umrißform des Elements 200 entspricht derjenigen einer Sanduhr, d. h.,

es sind zwei größere Abschnitte 212 vorhanden, mit denen zwei elektrische Leitungen 214 leitend verbunden sind. Das Piezo-Widerstandselement nach F i g. 5 hat die Form eines Klotzes von rechteckigem Querschnitt mit einer Gesamtlänge L von 2,5 mm, eine Gesamtbreite W von 1,3 mm und eine Dicke H von 0,28 mm. Die Anschlußabschnitte haben im Grundriß eine quadratische Form, und ihre Seitenlange beträgt etwa 1,3 mm. Der schmalere Verbindungsabschnitt wird durch zwei einander gegenüberliegende Nuten 216 abgegrenzt, die auf beiden Seiten des Elements vorgesehen sind, sowie durch zwei weitere Nuten 218 auf der Oberseite und der Unterseite des Elements. Die Nuten 216 haben an ihren inneren Enden halbzylindrische Bodenflächen. Der Radius dieser Bodenflächen beträgt etwa 0,3 mm. Die Nuten 218 werden auf eine Tiefe von etwa 0,07 mm eingeschnitten. Hierbei hat der dünnere Verbindungsabschnitt einen Querschnitt von etwa 0,15 · 0,15 mm, und die kleinste Querschnittsfläche beträgt etwa 0,0002 cm². Der Verbindungsabschnitt hat nahezu einen quadratischen Querschnitt, doch wird er durch einen chemischen Ätzvorgang an den Kanten etwas abgerundet. Dieser Abschnitt ist mit den Anschlußschnitten durch zügig abgerundete, sich nach außen verbreiternde Abschnitte verbunden.

Der zwischen den Anschlußabschnitten liegende Abschnitt 210 des Piezo-Widerstandselements nach F i g. 5 bildet praktisch eine Eulersche Säule von geringer Länge mit der Umrißform einer Sanduhr, und diese Säule wird in seitlicher Richtung nicht unterstützt. Die Länge α des Verbindungsabschnitts ist etwas größer als seine kleinste Dicke. In jedem Fall ist die Länge des Verbindungsabschnitts kleiner als die Länge (etwa das Drei- bis Vierfache der kleinsten Dicke des Verbindungsabschnitts), die zu einem Ausknicken der Säule führen könnte.

Die Bedeutung der Verwendung eines Verbindungsabschnitts von kleineren Abmessungen, der nicht ausknicken kann, liegt darin, daß dieser Abschnitt des Piezo-Widerstandselements bis zur Zerstörung zusammengedrückt werden kann, ohne auszuknicken. Diese Tatsache erleichtert das Ansprechen auf Druck- und Zugbeanspruchungen über einen großen Beanspruchungsbereich, ohne daß der Wandler durch eine statische Zugkraft vorgespannt wird. Hierdurch verdoppelt sich praktisch der Beanspruchungsbereich, innerhalb dessen das Element benutzt werden kann, ohne einer Vorspannkraft ausgesetzt zu sein.

Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Piezo-Widerstandselemente kann man verschiedene Arten von Piezo-Widerstandsmaterial verwenden. Am besten geeignet sind Halbleitermaterialien, z. B. Silizium, das mit einer kleinen Menge von Bor gedopt worden ist. Zu den weiteren brauchbaren Materialien gehört auf geeignete Weise gedoptes Germanium, Siliziumkarbid und Galliumarsenid. Ein Material mit einem Widerstand von 3 Ohm-cm bei Raumtemperatur (unbeansprucht) hat sich als sehr zweckmäßig erwiesen. Bei einem solchen Material besitzt das Dehnungsmesserelement mit den vorstehend angegebenen Abmessungen einen Widerstand von etwa 350 Ohm. Dieser Widerstand macht das Element sehr geeignet zur Verwendung als Dehnungsmesser. Einerseits ist der Widerstand genügend klein, so daß eine übermäßige Aufnahme von Störsignalen, die auf Starkstromleitungen u. dgl. zurückzuführen sind, vermieden wird, jedoch ist der Widerstand andererseits genügend groß, um eine Anpassung an andere Widerstände einer Brückenschaltung oder die Anpassung an einen Verstärker zu erleichtern, was insbesondere dann gilt, wenn es sich um Festkörperschaltungen handelt. Im allgemeinen läßt sich ein Widerstand zwischen 10 und 3000 Ohm leicht erzielen.

Die maximale positive Dehnung oder Längung, die noch nachgewiesen werden kann, richtet sich nach der Streckgrenze des Materials des Dehnungsmesserelements bei einer Beanspruchung durch Zugkräfte. Die maximale negative Beanspruchung oder Zusammendrückung, die noch nachgewiesen werden kann, richtet sich nach der maximalen Last, die das Piezo-Widerstandselement aufnehmen kann, ohne zerstört zu werden. Die Messung dieser Widerstandsänderungen wird durch die Tatsache erleichtert, daß durch den dünnen Verbindungsabschnitt des Piezo-Widerstandselements starke Ströme geleitet werden können, ohne daß eine Überhitzung zu befürchten ist. In der Praxis zeigt es sich, daß Änderungen des Widerstandes um ± 20 % innerhalb des Beanspruchungsbereichs auftreten, innerhalb dessen Messungen durchgeführt werden können, ohne daß eine Beschädigung des Elements zu befürchten ist. Tatsächlich kann eine Widerstandsänderung von 45% auftreten, bevor das Element zerstört wird. Bei kleinen Querschnittsflächen im Faserbereich wurden Widerstandsänderungen von ± 60 % vor dem Eintreten des Bruchs beobachtet.

Die Empfindlichkeit eines Piezo-Widerstandselements hängt davon ab, in welcher Richtung die Beanspruchung bezüglich der Achse des Kristallgefüges aufgebracht wird. Bei Silizium wird eine maximale Empfindlichkeit in der (lll)-Richtung erzielt. Daher wird das Dehnungsmesserelement so hergestellt, daß die Beanspruchungsachse Y-Y längs der (lll)-Richtung des Kristalls verläuft. Damit optimale Ergebnisse erzielt werden, wird das Piezo-Widerstandselement als Einkristall hergestellt.

Das Piezo-Widerstandselement 150 nach F i g. 6 ähnelt bezüglich seiner Konstruktion und Zusammensetzung weitgehend dem Piezo-Widerstandselement 200 nach F i g. 5. Jedoch ist gemäß F i g. 6 aus noch zu erläuternden Gründen ein Verbindungsabschnitt von kleinerem Querschnitt vorgesehen. Auch das Element 120 nach F i g. 1 kann mit einem Verbindungsabschnitt von kleinerem Querschnitt versehen werden. Vorzugsweise werden die Piezo-Widerstandselemente so hergestellt bzw. unterstützt, daß der einer Beanspruchung ausgesetzte aktive Teil des Elements eine Eulersche Säule bildet. Wenn man einen sehr kleinen Querschnitt im Faserbereich vorsieht, läßt sich ein höherer effektiver elektrischer Widerstand des aktiven Abschnitts erzielen. Gleichzeitig kann man die im folgenden beschriebene anomale Erscheinung vorteilhaft ausnutzen, gemäß welcher sich eine Erhöhung der Streckgrenze des Piezo-Widerstandselements ergibt, wenn man die Querschnittsfläche verkleinert.

Wenn man die Querschnittsfläche des Verbindungsabschnitts verkleinert, zeigt es sich, daß die Streckgrenze (Dyn/cm²) eine anomale Zone durchläuft, innerhalb deren die Zugfestigkeit im wesentlichen konstant und von der Querschnittsfläche unabhängig ist. Praktisch ist die Streckgrenze des Materials unterhalb dieser Zone höher als oberhalb derselben, doch variiert sie aus noch nicht geklärten Gründen im umgekehrten Verhältnis zur Querschnittsfläche.

Bei der vorteilhaftesten Ausbildungsform der Erfindung wird die Querschnittsfläche des Verbindungsabschnitts so gewählt, daß sie innerhalb der Zone konstanter Zugfestigkeit (Dyn) liegt.

In F i g. 7 ist eine graphische Darstellung der Anderung der Streckgrenze in Abhängigkeit von der Querschnittsfläche für einen dünnen Stab aus Silizium wiedergegeben. Man erkennt, daß der Streckgrenzenmodul einen Wert von 3 · 10¹⁰ Dyn/cm² hat, wenn die Querschnittsfläche etwa 2 · 10~⁵ cm² beträgt, und daß sich ein Wert von 4 · 10⁹ Dyn/cm² ergibt, wenn die Querschnittsfläche etwa 2 · 10 ~⁴ cm² beträgt, und daß der Streckgrenzenmodul im umgekehrten Verhältnis zur Querschnittsfläche in dem Zwischenbereich variiert, bei dem es sich um die Zone Z einer im wesentlich konstanten Streckkraft handelt. Der Streckgrenzenmodul von 4 · 10⁹ Dyn/cm², der für Stäbe von großem Querschnitt charakteristisch ist, wird als Grundwert bezeichnet. Der Querschnittsbereich, unterhalb dessen sich der Streckgrenzen- modul gegenüber dem vorstehenden Wert erhöht, wird als Faserbereich bezeichnet.

Wenn man den Querschnitt des Piezo-Widerstandselements in die Zone der konstanten Streckgrenze verlegt, ist die Obergrenze der Beanspruchung, die nachgewiesen werden kann, ohne daß eine Reckung eintritt, von der Querschnittsfläche unabhängig und daher im wesentlichen frei von Änderungen, die sich andernfalls als Folge von Querschnittsunterschieden zwischen verschiedenen Piezo-Widerstandselementen ergeben könnten. Arbeitet man in diesem Bereich, kann man den Widerstandswert innerhalb eines großen Bereichs von Werten wählen, ohne den Verlauf der Reckkraft zu ändern. Messungen der Widerstandsänderung werden durch die Tatsache erleichtert, daß starke Ströme durch den Verbindungsabschnitt des Dehnungsmesserelements geleitet werden können, ohne daß eine Überhitzung eintritt; dies ist auf die Wärmeaufnahmewirkung der größere Abmessungen aufweisenden Endabschnitte zurückzuführen.

Bei den Piezo-Widerstandselementen nach F i g. 1 und 2, die sich bis jetzt am besten bewährt haben, beträgt die kleinste Querschnittsfläche 5 · 10~⁵ cm². Diese Querschnittsfläche liegt im Faserbereich und praktisch auch in dem Bereich, in welchem die Bruchkraft von der Querschnittsfläche unabhängig ist und praktisch nahe der Schulter der Zugfestigkeitskurve liegt.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Elektromechanischer Wandler mit einem Piezo-Widerstandselement, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezo-Widerstandselement (120, 150, 200) zwischen den beiden Hebelarmen (z. B. 122, 124) eines Trägers (z. B. 126) befestigt ist, die an einem von den jeweiligen Befestigungsstellen des Piezo-Widerstandselements im Abstand liegenden Punkt (z.B. 140) gelenkig miteinander verbunden sind.

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Hebelarme (122, 124) durch einen in der Mitte mit einem Querschlitz (136) versehenen Längsträger (126) gebildet sind, das Gelenk zwischen diesen Hebelarmen durch den verbleibenden schmalen Stegabschnitt (140) am Boden des Querschlitzes (136) gebildet ist und das Piezo-Widerstandselement auf der dem Stegabschnitt (140) abgewandten Seite des Trägers befestigt ist und den Querschlitz (136) überbrückt.

3. Wandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezo-Widerstandselement (120) in einer Längsrichtung des Trägers (126) quer zum Querschlitz (136) verlaufenden Längsnut (134) eingebettet ist.

4. Wandler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (126) aus Isoliermaterial besteht und sowohl auch der ununterbrochenen Rückseite als auch auf den beiden oberen durch den Querschnitz voneinander getrennten Hebelarmseitenleiterbeläge (130, 132 a bis 132/) angebracht sind und das Piezo-Widerstandselement elektrisch mit den beiden durch den Querschlitz (136) voneinander getrennten Leiterbelägen (132 a bis 132/) verbunden ist.

5. Wandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der untere durchgehende Leiterbelag (130) am einen Ende (142) des Trägers (126) mit dem einen oberen Leiterbelag (132 c, 132 d, 132/) verbunden ist (Brücke 138).

6. Wandler nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Piezo-Widerstandselement in der Mitte zwischen seinen Befestigungsstellen einen Abschnitt von verjüngtem Querschnitt aufweist.

7. Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Verjüngung so gewählt ist, daß die Eulersche Knickspannung besonders groß ist.

8. Wandler nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger aus einem Piezo-Widerstandsmaterial besteht (F i g. 3).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 009 550/120