DE2945243A1

DE2945243A1 - Biegeschwingungswandler

Info

Publication number: DE2945243A1
Application number: DE19792945243
Authority: DE
Inventors: Takashi Gounji; Yoshihiko Kasai
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1978-11-13
Filing date: 1979-11-09
Publication date: 1980-05-14
Also published as: DE2945243C2; IT1124944B; FR2441982A1; US4281298A; FR2441982B1; IT7927162A0

Description

Biegeschwingungswandler

Prioritäten: 13. November 1978 Japan 53-138813 27· Dezember 1978 Japan 53-159980 16. Oktober 1979 Japan 54-133356

Die Erfindung betrifft einen Biegeschwingungswandler, der aus einem Legierungsmaterial mit konstantem Modul und piezoelektrischem keramischem Material mit großem elektro-mechanischem Kopplungskoeffizient besteht und der ein elektrisches Eingangssignal in ein mechanisches Ausgangssignal oder umgekehrt umwandelt.

Biegeschwingungswandler werden vielseitig hauptsächlich im Niederfrequenzband als Wandler für ein mechanisches Filter verwendet, das in verschiedenen Übertragungsoder Steuersystemen Anwendung findet. Insbesondere werden Biegeschwingungswandler in Kanalfiltern für Trägerübertragungseinrichtungen verwendet und ihr Anwendungsgebiet in Übertragungssystemen erweitert sich laufend.

Ein mechanisches Filter verwendet eine Ultraschallwelle als Medium und wandelt einmal ein elektrisches Signal in ein mechanisches Signal um und gibt ein elektrisches Ausgangssignal nach Filterung ab. Als Vorrichtung zum Umwandeln eines elektrischen Signals in ein mechanisches Signal oder umgekehrt zum Umwandeln eines mechanischen Signals in ein elektrisches Signal werden Wandler unter Verwendung von piezoelektrischen keramischen Platten in weitem Umfang ausgenutzt.

Das Ersatzschaltbild eines Wandlers unter Verwendung einer piezoelektrischen keramischen Platte ist in Fig. 1 gezeigt, wobei dieser Wandler unter Verwendung von L- und C-Elementen dargestellt ist. In Fig. 1 sind LO, CO, und RO die Ersatzinduktivität, die Ersatzkapazität und

03 0 020/0887

der Ersatzwiderstand der Reihenresonanz des Wandlers, während Cd die gedämpfte Kapazität der piezoelektrischen keramischen Platte ist.

Das Kapazitätsverhältnis r und der Gütefaktor Q, welche die Leistungsfähigkeit eines Wandlers angeben, sind jeweils so definiert, wie sie in den folgenden Gleichungen (1) und (2) ausgedrückt sind.

r = Cd/CO (1)

Q=W LO/RO (2)

In diesen beiden Gleichungen ist (0 die Reihenresonanz-Winkelfrequenz des Wandlers. Andererseits ist die verwertbare Bandbreite Af eines mechanischen Filters entgegengesetzt proportional zum Kapazitätsverhältnis r.

Af <* 1/r (3)

Wenn das Kapazitätsverhältnis r klein ist, kann somit ein breitbandiges mechanisches Filter ausgeführt werden.

Ein Biegeschwingungswandler mit einem Biegeschwingungsstab, welcher derzeit für mechanische Filter in der Praxis weit verbreitet ist, wird in die folgenden Arten entsprechend der Ausbildung eingeteilt.

Fig. 2 zeigt die erste Ausbildung des stabförmigen Biegeschwingungswandlers. Bei dieser Ausbildung ist die piezoelektrische keramische Platte 2 mit durch den Pfeil angezeigter Restpolarisation 3 in Dickenrichtung der Metallplatte 1 an dieser Metallplatte aus einem Legierungsmaterial mit konstantem Modul durch ein Bindemittel, wie ein Lötmittel, an der Fläche der Längsrichtung der Metallplatte 1 befestigt. Wenn bei einer solchen Ausbildung eine Wechselspannung einer vorgeschriebenen Frequenz an die Zuführungsdrähte 6 und 7, die mit der

030020/09X1

piezoelektrischen keramischeil Platte 2 und der Metallplatte 1 verbunden sind, angelegt wird, verschiebt sich die piezoelektrische keramische Platte 2 beispielsweise in der durch den Pfeil 4 angegebenen Richtung aufgrund der Schwingung der piezoelektrischen keramischen Platte 2, die durch Ausdehnung und Zusammenziehung verursacht wird, wodurch der Wandler die durch die gestrichelte Linie 5 angegebene Biegeschwingung zeigt.

Dieser Wandler hat eine vergleichsweise einfache Ausbildung und kann in einfacher Weise hergestellt werden. Darüber hinaus wird der Wandler in weitem Umfang hauptsächlich als Schmalbandpaßfilter für niedere Frequenzen wegen des Vorteils verwendet, daß er gegenüber Temperaturänderungen und Alterungsänderungen sehr stabil ist. Da jedoch der elektro-mechanische Kopplungskoeffizient der Schwingung aufgrund der Ausdehnung und Zusammenziehung der piezoelektrischen keramischen Platte, die eine elektro-mechanische Umsetzung ausführt, etwa 0,3 beträgt, wird das Kapazitätsverhältnis des Wandlers groß und dadurch wird die verwertbare Bandbreite des mechanischen Filters klein, was zu einer hohen Impedanz führt. Wenn ein Wandler mit einem solch großen Kapazitätsverhältnis verwendet wird, muß ein elektrischer Kreis mit L- und C-Elementen jeweils an der Eingangs- und Ausgangsseite

hinzugefügt werden, um die Bandbreite des mechanischen Filters zu erweitern und eine Impedanzanpassung an einen Außenkreis zu erhalten. In einem solchen Fall tritt jedoch das Problem auf, daß die physikalische Abmessung des hinzugefügten elektrischen Kreises der L- und C-Elemente gleich wie oder größer als die physikalische Abmessung des mechanischen Schwingungssystems ist, das aus dem Wandler, einem Resonator und einem Koppler besteht.

Fig. 3 zeigt die zweite Ausbildung des stabförmigen Biege3chwingungswandlers. Dieser Wandler hat ein niedriges Kapazitätsverhältnis und kann zusätzliche elektrische

Ü3ÜU2Ü/0887

L- und C-Bauelernente vermeiden und hat eine derartige Ausbildung, daß ein Paar piezoelektrische keramische Platten 10 und 11 mit unterschiedlichen Restpolarisationsrichtungen 12 und 13 zwischen einem Paar Metallplatten 8 und 9 in der Weise angeordnet sind, daß die Restpolarisationsrichtung mit der Längsrichtung des Wandlers zusammenfällt und daß diese jeweils durch das oben erwähnte Bindemittel verbunden sind. Wenn eine Wechselspannung der vorgeschriebenen Frequenz an die beiden Zuführungsleiter 17 und 18 angelegt wird, die mit den Metallplatten 8 und 9 verbunden sind, zeigt der Wandler eine Biegeschwingung, wie sie durch die gestrichelte Linie 16 angegeben ist, aufgrund der Dickenausdehnungsschwingung der piezoelektrischen keramischen Platten 10 und 11, die so erzeugt wird, wie es durch die Pfeile 14 und 15 angegeben ist. Da der elektromechanische Kopplungskoeffizient der Dickenausdehnungsschwingung der bei dem oben erwähnten Wandler verwendeten piezoelektrischen keramischen Platte im allgemeinen 0,5 bis 0,6 beträgt, wird das Kapazitätsverhältnis des Wandlers klein und dadurch kann ein mechanisches Filter mit gewünschter großer Bandbreite ohne Verwendung eines zusätzlichen L-C-Kreises erhalten werden. Wenn darüberhinaus ein (nicht dargestellter) Stützdraht Jeweils an dem Knoten der Biegeschwingung der Metallplatten 8 und 9» zwischen denen die piezoelektrischen keramischen Platten 10 und 11 liegen, angebracht ist, sind beide Stützdrähte in der Lage, als mechanisches Stützmaterial des Wandlers zu dienen, und vermeiden auch Zuführungsdrähte, die Fehler bei einem mechanischen Filter verursachen können. Der letztere Wandler verwendet jedoch mehr Elemente als der erstere Wandler und erfordert deshalb mehr Herstellungsschritte. Zusätzlich besteht ein Nachteil darin, daß dafür gesorgt werden muß, daß ein Paar piezoelektrische keramische Platten so angeordnet wird, daß die Restpolarisationsrichtungen 12 und 13 zwischen diesen Platten umgekehrt eingestellt sind.

OZöOlO/

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Biegeschwingungswandler zu schaffen, der die Dickenscherungsschwingung des piezoelektrischen keramischen Materials ausnützt, der ein kleines Kapazitätsverhältnis, hohe Güte und gute Streueigenschaft aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe hat der Biegeschwingungswandler nach der Erfindung wenigstens eine Netallplatte, eine piezoelektrische keramische Platte, deren wenigstens eine Fläche mechanisch mit einem Ende der Metallplatte verbunden ist, wobei die piezoelektrische keramische Platte in einer Richtung polarisiert ist, und Leitereinrichtungen, die elektrisch mit den beiden Flächen der piezoelektrischen keramischen Platte verbunden sind, die parallel zu der Restpolarisationsrichtung sind, um ein Signal mit vorgeschriebener Frequenz zwischen den beiden Flächen anzulegen, wodurch die piezoelektrische keramische Platte eine Dickenscherschwingung zeigt, die eine Biegungsschwingung des Wandlers auslöst.

Der erfindungsgemäße Wandler soll des weiteren eine niedrige Impedanz aufweisen. Hierfür sind vorgesehen eine erste und eine zweite Metallplatte, erste und zweite piezoelektrische keramische Platten, die zwischen der ersten und der zweiten Metallplatte angeordnet sind und die in der jeweils entgegengesetzten Richtung rechtwinklig zur Längsrichtung der ersten und der zweiten elastischen Metallplatte polarisiert sind, und erste, zweite und dritte Leitereinrichtungen, die mit einem Signal einer vorgeschriebenen Frequenz gespeist werden, wobei die ersten und die zweiten Leitereinrichtungen ,jeweils mit; der ersten und der zweiten Metallplatte verbunden sind und die dritte Leitereinrichtung zwischen die erste und die zweite piezoelektrische keramische Platte geschaltet ist, wodurch die erste und die zweite piezoelektrische keramische Platte eine Dickenscherschwingung zeigen, die eine Biegeschwingung des Wandlers nuylüat.

0 3IjIJ. Ii/08 H 7

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung erläutert, in der sind

Fig. 1 ein Ersatzschaltbild des piezoelektrischen Treiberwandlers, das durch L- und C-Elemente gebildet ist, Fig. 2 und 3 perspektivische Ansichten üblicher Biegeschwingungswandler,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht einer Abänderung der ersten Ausfiihrungsform,

Fig. 5 und 7 Frequenzkennlinien der Wandler der in den Fig. 4 und 6 gezeigten Ausführungsformen,

Fig. 8 und 9 perspektivische Ansichten weiterer Abwandlungen der ersten Ausführungsform, Fig. 10 eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform eines Stimmgabel-Biegeschwingungswandlers, der das Prinzip der ersten Ausführungsform verwendet,

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, Fig. 13 eine Abänderung der zweiten in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform,

Fig. 12 und 14 Frequenzkennlinien jeweils der in den Fig. 11 und 12 gezeigten Ausführungsformen,

Fig. 15 eine perspektische Ansicht einer weiteren Abänderung der zweiten in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform,

Fig. 16 und I7 perspektivische Ansichten der Ausführungsformen des Stimmgabel-Biegeschwingungswandlers unter Verwendung des Prinzips der zweiten Ausführungsform,

Fig. 18 eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 19 eine Frequenzkennlinie der in Fig. 1ü gezeigten Ausführungsform,

Fig. 20 eine Kennlinie der SchwingungswegampLitude und des Biegemoments des in Fig. 18 gezeigten Wandlers,

Fig. 21 eine perspektivische Ansicht einer Abänderung der

dritten in Fig. 18 gezeigten Ausführungsform, Fig. 22 eine Draufsicht der Stützplatte, die in der Ausfülirungsform der Fig. 21 verwendet wird, und Fig. 23 eine perspektivische Ansicht eines Aufbaus eines mechanischen Filters unter Verwendung des Wandlers der Fig. 21.

Gemäß Fig. ^l\ hat der stabförmige Biegeschwingungswandler die folgende Ausbildung. 19 und 20 sind Metallplatten, die aus einem Legierungsmaterial mit konstantem Modul bestehen. Die in Richtung des Pfeils 22 polarisierte piezoelektrische keramische Platte 21 ist so zwischen der Längsrichtung des Paars der Hetallplatten 19 und 20 angeordnet, daß die Restpolarisationsrichtung 22 rechtwinklig zur Längsrichtung beider Metallplatten 19 und 20 wird. Die einen Enden der Metallplatten 19 ^ur*d 20, die jeweils zu den beiden Elektrodenflächen der piezoelektrischen keramischen Platte 21 weisen, sind darüber hinaus in ifeihe durch ein Bindemittel, wie Lötmittel, gekoppelt. 26 und 2'/ sind Stützdrähte, die an den Knotenpunkten der Biegeschwingung angebracht sind, die durch die gestrichelte Linie L'5 angegeben ist, und auch als Zuführungsdrähte dienen. Wenn eine Wechselspannung mit vorgeschriebener Frequenz an beide Stützdrähte 26 und 2^r/ angelegt wird, zeigt die piezoelektrische keramische Platte 21 eine Dickenscherschwingung in der Richtung, die durch die Pfeile 23 und 24 angegeben ist. Diese Schwingung lönt eine Biegeschwingung des Wandlers aus, wie sie durch die gestrichelte Linie 25 angegeben ist. Bei dem in Fig. ¹Y gezeigten Wandler sind die Längen der beiden Metallplatten 19 und 20 fast gleich. Fig. 5 zeigt die FrequenzkennLinie den in Fig. ¹Y dargestellten Wandlers, in dieser Figur stellt die Abszisse die Frequenz dar, während die Ordinate den Übertragungspegel angibt. 28 ist der Resonanzpunkt der Biegeschwingung zweiter Ordnung und 29 ist der Resonanzpunkt der Biegeschwingung vierter

OIOOZO/

Ordnung. Die Resonanz der Schwingungen gerader Ordnung, wie die Biegeschwingungen sechster und achter Ordnung, treten tatsächlich in dem Frequenzbereich auf, der höher als der Resonanzpunkt der Biegeschwingungen der vierten 5 Ordnung iet, was jedoch in der Figur weggelassen ist. Der Grund, warum nur die Schwingungen gerader Ordnung bei dieser Ausführungsform auftreten, besteht darin, daß die piezoelektrische keramische Platte in der Mitte der Längsrichtung des Wandlers angeordnet ist.

Gemäß Fig. 6 ist die piezoelektrische keramische Flatte aus der Mitte der Längsrichtung des Wandlers versetzt. 30 und 31 sind ,jeweils Metallplatten mit verschiedenen Längen und 32 ist die piezoelektrische keramische Platte, welche die Dickenscherschwingung zeigt. Die Stützdrähte 26 und 27 sind an den Knotenpunkten der gewünschten Schwingung in derselben Weise wie bei der Ausführungsform der Fig. 4 befestigt. In Fig. 7 gibt die Abszisse die Frequenz und die Ordinate den Ubertragungspegel wieder.

In dieser Figur sind 35, 34, 35 und 36 Resonanzpunkte der Biegeschwingungen jeweils erster, zweiter, dritter und vierter Ordnung. Die Resonanzpunkte ungerader und gerader höherer Ordnungen treten auch in der Folge bei höheren Frequenzen als der Resonanzpunkt der Schwingung vierter Ordnung auf, jedoch sind diese in der Figur weggelassen.

Die Merkmale des Biegeschwingungswandlers der Erfindung werden nachfolgend im Vergleich zu bekonnten Wandlern erläutert. Die Merkmale des Biegeschwingungswandlers der vorliegenden Erfindung können in Merkmale der Ausbildung und der Leistungsfähigkeit aufgeteilt werden.

(1) Merkmale der Ausbildung

a. Bei dem Wandler nach der Erfindung sind die Metallplatte und die piezoelektrische keramische Platte in Reihe in Längsrichtung dec Wandlers wie

0 3 13 i) I' U / Π 8 8 7

im Falle des in Fig. 3 gezeigten bekannten Biegeschwingungswandlers gekoppelt.

b. Der Wandler der vorliegenden Erfindung erfordert ,jedoch nur eine piezoelektrische keramische Platte und erfordert keine Beachtung der Bestpolarisationsrichtungen der beiden piezoelektrischen keramischen Platten, die parallel im Unterschied zu dem bekannten in Pig. 3 dargestellten Wandler angeordnet sind, und ist bezüglieh der Herstellungssteuerung des Wandlers vorteilhaft.

c. Bei den Ausführungsformen der Fig. 4 und 6 führt die Erfindung zu einem Wandler, der keine Zuführungsdrähte erfordert. Die an dem Metallplattenpaar befestigten Stützdrähte können auch die Funktion von Zuführungsdrähten haben, wenn sie mit den Knotenpunkten der gewünschten Schwingungsart des Wandlers verbunden sind.

(2) Merkmale der Leistungsfähigkeit

a. Der Wandler der vorliegenden Erfindung nutzt die Dickenscherschwingung der piezoelektrischen keramischen Platte aus. Im allgemeinen ist der elektro-mechanische Kopplungsfaktor der Dickenscherschwingung größer als der elektro-mechanische Kopplungsfaktor der Ausdehnungs- und Zusammenziehungsschwingung oder der Dickenausdehnungsschwingung der bei dem bekannten Wandler verwendeten piezoelektrischen keramischen Platte. Der Wandler der Erfindung hat deshalb ein niedrigeres Kapazitätsverhältnis als das des bekannten Wandlers der Fig. 1. Dadurch kann ein mechanisches Filter mit breiter Frequenzcharakteristik erhalten werden, ohne daß ein zusätzlicher elektrischer L-C-Kreis verwendet wird.

03G020/0887

£945243

b. Der Wandler der Erfindung hat einen Gütefaktor Q von 3000 trotz des niedrigeren Kapazitätsverhältnisses. Die Güte Q einer Langevin-Torsionsschwingung mit demselben Kapazitätsverhältnis wie der Wandler der Erfindung beträgt etwa 300.

c. Die Streucharakteristik des Wandlers der vorliegenden Erfindung ist sehr gut. Wie sich aus den Fig. 5 und 7 ergibt, zeigt der Wandler der Erfindung wenig andere Schwingungen als Biegeschwingungen. Insbesondere werden bei dem in Fig. 4 gezeigten Wandler, bei dem die Mitte der Längsrichtung der piezoelektrischen keramischen Platte mit der Mitte der Längsrichtung des Wandlers zusammenfällt, nur die Biegeschwingungen gerader Ordnung angeregt und dadurch kann eine Resonanz der Biegeschwingungsart nahe dem Ansprechen der gewünschten Biegeschwingungsart wesentlich vermieden werden, wie in Fig. 5 gezeigt ist. Als Ergebnis kann durch Einbringen eines Wandlers nach der Erfindung in ein mechanisches Filter ein Filter mit geringerem Streuansprechen ausgeführt werden.

Nachfolgend wird eine weitere Ausführungsform des Wandlers nach der Erfindung erläutert.

Fig. 8 zeigt einen Biegeschwingungswandler mit Biegeschwingungsstab in einer solchen Ausbildung, bei der die piezoelektrische keramische Platte 38, die eine Dickenscherschwingung zeigt und rechtwinklig zur Längsrichtung des Wandlers polarisiert ist, in Reihe in Längsrichtung mittels eines Bindemittels, wie Lötmittels, mit dem einen Ende der Metallplatte 37 verbunden ist. Dieser Wandler erspart eine Metallplatte des in Fig.

oder 6 gezeigten Wandlers und sieht einen Zuführungsdraht an dem Ende vor, das der Fläche gegenüberliegt, die mit der Metallplatte 37 verbunden ist. Der Stützdraht

030020/0887

ist an dem Schwingungsknotenpunkt der gewünschten Schwingung befestigt, um den Wandler zu halten, und hat auch die Punktion des anderen Zuführungsdrahts wie der Zuführungsdraht 40. Der in Fig. 8 gezeigte Wandler erfordert weniger Elemente im Vergleich mit den Wandlern der Fig. 4 und 6 und kann leichter hergestellt werden.

Fig. 9 zeigt einen Wandler unter Verwendung von zwei piezoelektrischen keramischen Platten. 41, 42 und 43 sind Metallplatten, 44 und 45 sind piezoelektrische keramische Platten und 46, 47 und 48 sind Stützdrähte mit der Funktion von Zuführungsdrähten. Wenn eine Wechselspannung einer vorgeschriebenen Frequenz an die Stützdrähte 46 und 47 angelegt wird, zeigt der Wandler eine Schwingung der Biegeschwingungsart und diese Schwingung wird durch die mechanisch-elektrische Umwandlung durch die piezoelektrische keramische Platte 45 umgewandelt und als elektrisches Ausgangssignal von den Anschlüssen 48 und 47 abgegeben. Ein Wandler kann nämlich als Bandpaßfilter verwendet werden. Wenn hierbei die Anschlüsse 46 und 48 elektrisch miteinander verbunden werden und ein elektrisches Signal an den gemeinsamen Anschluß und den Anschluß 47 angelegt wird, kann diese Anordnung auch als Wandler gleichartig mit dem in den Fig. 4, 6 und 8 gezeigten Wandlern verwendet werden.

Gemäß Fig. 10 kann der Stimmgabelschwinger mit einer Frequenz arbeiten, die geringer als die Frequenz des Schwingers mit Biegeschwingungsstab ist, und kann weiter miniaturisiert werden. Deshalb wird dieser Schwinger in einem niedrigeren Frequenzbereich als dem des Schwingers mit Biegeschwingungsstab verwendet. In Fig. 10 sind 49, 50 und 51 Metallplatten, die aus Legierungsmaterial mit konstantem Modul bestehen. Von diesen ist die Metallplatte 50 so geformt, daß sie zwei Arme aufweist. 52 und 53 sind piezoelektrische keramische Platten, welche die

OJoO

Dickenscherschwingung zeigen. 56 ist ein Stützdraht. Die Pfeile ^A und 55 zeigen die Restpolarisationsrichtung jeweils der piezoelektrischen keramischen Platten. Wenn eine Wechselspannung einer vorgeschriebenen Frequenz an die Zuführungsdrähte 57 und 58 angelegt wird, zeigt der Wandler Schwingungen in der symmeti'ischen Schwingungsart, wie durch die gestrichelten Linien 60 und 61 angegeben ist. Diese Schwingung wird durch die mechanischelektrische Umwandlung durch die piezoelektrische keramisehe Platte 53 umgewandelt und dann als elektrisches Ausgangssignal von den Zuführungsdrähten 58 und 59 abgegeben. Wie im Falle des in Fig. 10 gezeigten Wandlers kann deshalb ein Umsetzer auch als Bandpaßfilter verwendet werden. Es ist auch möglich, die Anschlüsse und 59 elektrisch miteinander zu verbinden, um ein elektrisches Signal an den gemeinsamen Anschluß utid den Anschluß 58 anzulegen, wodurch die Anordnung in derselben Weise wie der oben erwähnte Wandler arbeitet.

Gemäß Fig. 11 enthält der Biegeschwingungswandler Metallplatten 121 und 122, die aus einem Legierungsmaterial einer Nickel- und Eisenlegierung, beispielsweise unter dem Warenzeichen "Elinbar" bekannt, mit konstantem Modul bestehen, und eine piezoelektrische keramische Platte 23, welche die elektro-mechanische Energieumsetzung in der Dickenscherschwingungsart ausführt, um die Biegeschwingung auf diese Metallplatten 121 und zu geben. Die piezoelektrische keramische Platte 123 ist zwischen die Metallplatten 121 und 122 eingesetzt und in solcher Weise in Kaskade geschaltet, daß die durch den Pfeil in Fig. 11 angegebene Restpolarisationsrichtung

mit der Längsrichtung des Biegeschwingungswandlers 120 zusammenfällt, was zu einem Biegeschwingungswandler mit Biegeschwingungsstab führt.

Die Metallplatte und die piezoelektrische keramische Platte sind beispielsweise durch Löten oder ein anderes

030320/0887

- 1b -

geeignetes Bindemittel miteinander verbunden. Um diese piezoelektrische keramische Platte 123 mit einem Spannungssignal anzutreiben, das an die Eingangsanschlüsse 124 und 125 angelegt wird, sind dünne Elektroden 126 und 127» die durch ein geeignetes Mittel, wie Verdampfung, gebildet sind, an den Seiten 123a und 123b auf der piezoelektrischen keramischen Platte 123 vorgesehen, die senkrecht zur Verschiebungsrichtung des Biegeschwingungswandlers 120 liegen. Wenn bei der oben erwähnten Ausbildung eine Wechselspannung einer vorgeschriebenen Frequenz an die Eingangsanschlüsse 124 und 125 angelegt wird, schwingt der Biegeschwingungswandler 120 in der Schwingungsart, die durch die gestrichelte Linie in Fig. angegeben ist, aufgrund der Dickenscherschwingung der piezoelektrischen keramischen Platte.

Da bei der Ausführungsform der Fig. 11 die piezoelektrische keramische Platte 123 in der Mitte der Längsrichtung des Biegeschwingungswandlers 120 angeordnet ist, schwingt der Biegeschwingungswandler 120 in einer Schwingungsart gerader Ordnung. Die Messung der Dämpfung A beim Ändern der Frequenz f der angelegten Wechselspannung zeigt, wie in Fig. 12 angegeben, daß die Schwingungsart zweiter Ordnung, die Schwingungsart vierter Ordnung, die Schwingungsart sechster Ordnung ... jeweils bei den Frequenzen i'2, f4, f6, ... erzeugt werden.

Fig. 13 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform des in Fig. 11 gezeigten stabförmigen Biegeschwingungswandlers, wobei der Unterschied gegenüber dem in Fig. 11 gezeigten Biegeschwingungswandler 120 darin besteht, daß der in Fig. gezeigte stabförmige Biegeschwingungswandler 120' mit solchen Abmessungen gebildet ist, daß die Längsrichtung der Metallplatte 121■ größer als die Längsrichtung der Metallplatte 122' ist. Als Ergebnis ist die Lage der piezoelektrischen keramischen Platte 123 des Biegeschwingungswandlers 120' etwas aus der Mitte der

OZoo 10/o#*?

" ^Λη " 2345243

Längsrichtung des Biegeschwingungswandlers 120' verschoben und deshalb kann dieser Biegeschwingungswandler 120' in der Schwingungsart erster Ordnung schwingen, wie in Fig. 14 angegeben ist, in der ein Beispiel der Schwingungsart durch gestrichelte Linien angegeben ist. Fig. 14 zeigt den Verlauf der Änderung der Dämpfung A des Wandlers, wenn die Frequenz f einer an den Biegeschwingungswandler 120' angelegten Wechselspannung geändert wird. Wie sich aus Fig. Vt ergibt, tritt eine Schwingung bei den Frequenzen fI, f?, f3, ... auf. Der Biegeschwingungswandler 120* kann nämlich in allen Schwingungsarten schwingen.

Fig. 15 zeigt eine weitere abgewandelte Ausführungsform des in Fig. 11 gezeigten Biegoschwingungswandlers 120. Dieser Biegeschwingungswandler 12O¹¹ unterscheidet sich von der Ausfrhrungsform der Fig. 11 darin, daß er nur aus einer Metallplatte 122'' und einer piezoelektrischen keramischen Platte 125 besteht. Dieser Biegeschwingungswandler 12O¹¹ schwingt in der Schwingungsart, wie dies durch die gestrichelte Linie in Fig. 15 angegeben ist, und kann auch in Schwingungsarten jeder Ordnung schwingen.

Für die in den Fig. 3i 5 und 7 gezeigten Biegeschwingungswandler mit Biegeschwingungsstab ist nur eine piezoelektrische keramische Platte erforderlich und deshalb können diese zusammengebaut werden, ohne die kombinierte Richtung der beiden piezoelektrischen keramischen Platten zu berücksichtigen, die bei dem in Fig. 3 gezeigten bekannten Biegeschwingungswandler erforderlich sind, bei dem zwei piezoelektrische keramische Platten kombiniert sind, wodurch der Zusammenbauvorgang und die Produktionssteuerung vereinfacht werden können. Dieser Aufbau des Wandlers hat darüber hinaus den Vorteil, daß der Wandler mit homogener Güte mit sehr guter Ausbeute aus dem Grund hergestellt werden kann, daß die äquivalenten Konstanten leicht auf den vorgeschriebenen Wert

03002 0/0887

korrigiert werden können, indem nur der Bereich der Elektroden geändert wird, da die Elektroden zum Erzeugen der Biegeschwingungsart jeweils an beiden Seiten der piezoelektrischen keramischen Platte vorgesehen sind, die senkrecht zu der Schwingungsrichtung des Wandlers angeordnet ist, auch wenn die äquivalenten Konstanten nach dem Zusammenbau des Wandlers schwanken. Dieser Aufbau macht zusätzlich die Anwendung der piezoelektrischen keramischen Platte in der Scherschwingungsart möglich, bei der der höchste elektro-mechanische Kopplungskoeffizient des piezoelektrischen keramischen Materials erhalten werden kann. Das Kapazitatsverhaltnis des Biegeschwingungswandlers kann deshalb klein gemacht werden. Dies kann ohne Hinzufügen einer Spule und eines Kondensators realisiert werden, so daß ein mechanisches Filter mit geringer Abmessung und geringen Kosten erhalten werden kann.

Fig. Ί6 ".eipt eine weitere Ausführungsform, die das Prinzip der Aus führungs f orm der Fip.;. 11 gemäß der Erfindung verwendet. Bei dieser Ausführungsform ist der Biegeschwingungswandler der Erfindung bei einem Stimmgabel-Wandler angewendet. Der Stimmgabelwandler 130 enthält Metallplatten 131 und 132 und eine piezoelektrische keramische Platte 133» welche die elektro-mechanische Energieumsetzung in der Dickenscherschwingungsart ausführt, um die Biegeschwingung; auf die Metallplatten I3I und 132 zu

geben. Die Metallplatte I31 ist in der Stimmgabel gebildet, die das Segment 131b, das in Längsrichtung des Stimmgabelwandlers I30 von der Basis 131a angeordnet ist, und das vergleichsweise kurze Segment 131c enthält, das parallel zu dem Segment 131b angeordnet ist. Die piezoelektrische keramische Platte 133 ist in Sandwichform zwischen der Kantenfläche des Segments 131c und der Kantenfläche der anderen Metallplatte 132 angeordnet. Die Metallplatte 131, die piezoelektrische keramische Platte 133 und die Metallplatte 132 sind

03OO LO/o?g? ,

nämlich abwechselnd in Längsrichtung des Stimmgabelwandlers 13O angeordnet und durch Löten oder ein Bindemittel miteinander verbunden, wodurch ein dem Segment 131t> entsprechendes Segment mittels des Segments 131c, der piezoelektrischen keramischen Platte 133 und der Metallplatte 132 gebildet wird. Die piezoelektrische keramische Platte 133 ist so angeordnet, daß die Restpolarisierungsrichtung, die durch einen Pfeil in der Figur angegeben ist, mit der Längsrichtung des Stimmgabelwandlers 13O zusammenfällt. Die Elektroden 134- und 135 der piezoelektrischen Platte 133 sind an den Seiten der piezoelektrischen keramischen Platte 133 angeordnet, die senkrecht zur Biegungsverschiebungsrichtung des Stimmgabelwandlers I30 liegen. Die Elektroden 134 und 135 sind jeweils mit den Eingangsanschlüssen und 137 verbunden. Die piezoelektrische keramische Platte 133 führt eine Dickenscherschwingung durch eine Wechselspannung aus, die an die Eingangsanschlüsse und 137 angelegt wird. Als Ergebnis führt der Stimmgabel-Biegeschwingungswandler I30 eine Biegungsschwingung aus, wie durch die gestrichelte Linie gezeigt ist.

Fig. 17 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der Fig. Dieser Stimmgabelwandler I3O¹ unterscheidet sich von der in Fig. 16 gezeigten Ausführungsform dadurch, daß das Segment 131c¹ länger gemacht ist, daß die piezoelektrische keramische Platte 133' an der Kantenfläche des Elements vorgesehen ist und daß die Metallplatte weggelassen ist. Ein Beispiel der Schwingungsart für diesen Fall ist durch die gestrichelte Linie angegeben.

In Fig. 17 sind die Teile entsprechend denen in der Fig. mit denselben Zahlen und einem Apostroph angegeben.

Die in den Fig. 16 und 17 gezeigten Stimmgabel-Biege-Schwingungswandler haben auch den Vorteil entsprechend dem Biegeschwingungsstab. Bei den obigen Ausführungsformen wird nur eine piezoelektrische keramische Platte verwendet,

"²⁰ 29A5243

jedoch ist die Erfindung darauf nicht beschränkt und es ist deshalb möglich, einen solchen Aufbau zu verwenden, bei dem mehrere piezoelektrische keramische Platten verwendet werden und mehrere Metallplatten und mehrere piezoelektrische keramische Platten abwechselnd in Längsrichtung des Wandlers in Kaskade geschaltet sind, wie es in bezug auf die Ausführungsform der Fig. 9 erläutert wurde.

Fig. 18 zeigt eine v/eitere Ausführungsform gemäß der Erfindung, die einen hohen Gütefaktor Q mit niedrigem Kapazitätsverhältnis und auch mit niedriger Impedanzkennlinie aufweisen kann. 201 und 202 sind Metallplatten, die aus einem Legierungsmaterial mit konstantem Modul bestehen. 203 und 204 sind piezoelektrische keramische Platten, die jeweils eine Dickenscherschwingung ausführen und in jeweils entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind, wie durch die Pfeile 205 und 206 angegeben. 207 und 208 sind Stützdrähte, die auch die Funktion der Zuführungsdrähte haben. 209 ist ein Zuführungsdraht, der sich gemeinsam von den piezoelektrischen keramischen Platten 203 und 204 erstreckt.

Die Metallplatte und die piezoelektrische keramische Platte sind durch ein Bindemittel, wie Lötmittel usw., miteinander verbunden.

Wenn die Anschlüsse 207 und 208 so angeschlossen sind, daß sie einen Zuführungsanschluß bilden, und wenn ein elektrisches Signal an diesen Anschluß und an einen weiteren Zuführungsanschluß 209 angelegt wird, führt der Wandler eine Biegeschwingung gerader Ordnung aus, wie

in Fig. 19 gezeigt ist, die erläutert, daß die Schwingungen zweiter, vierter und sechster Ordnung jeweils bei den Frequenzen f1, f2,und f3 auftreten.

0300 2 Π/0887

In Fig. 18 ist die Biegeschwingung zweiter Ordnung durch die

gestrichtelte Linie 210 angegeben, wobei die Biegeschwingung durch die Dickenscherschwingung ausgelöst wird, wie dies durch die Pfeile A, B und C, D der piezoelektrischen keramischen Platten 203 und 204 gezeigt ist.

Fig. 20 zeigt die Verteilung der Schwingungswegamplitude und des Biegemoments des in Fig. 18 gezeigten Wandlers, wobei die Länge der Metallplatten 201 und 202 gleich ist (11 = 14) und die Länge der piezoelektrischen keramischen Platten 203 und 204 gleich ist (12 = 13). In dieser Figur stellt die Abszisse die Länge des Wandlers dar, während die Ordinate den VerteiLungsgrad wiedergibt.

211 ist die Schwingungsverschiebungsverteilung, 212 ist die Biegemomentverteilung und 213, 214 und 215 sind jeweils Schwingungsknoten, d.h. Stellen, an denen die Schwingungsverschiebung Null wird. Die Verbindungsstelle der Stützdrähte 207 und 208 des in Fig. 18 gezeigten Wandlers entspricht den Knotenpunkten 213 und 215 in Fig. 20.

Dieser Wandler hat ein niedriges Kapazitätsverhältnis, eine hohe Güte Q und eine niedrige linpedanzcharakteristik, wie vorangehend beschrieben wurde, und darüber hinaus ist die Streucharakteristik zufriedenstellend. Andererseits hat jedoch die Ausbildung des in Fig. 18 gezeigten Wandlers die folgenden Schwierigkeiten.

(1) Es ist schwierig, den gemeinsamen Zuführungsdraht herauszuführen, um ihn zwischen zwei piezoelektrischen keramischen Platten 203 und 204 zu führen, worin ein Problem der Zuverlässigkeit liegt.

(2) Wie sich aus Fig. 20 ergibt, wird die Schwingungsverschiebung an dem Knotenpunkt Null, jedoch wird das Biegungsmoment nicht Null. Der mit dem Knotenpunkt verbundene Stützdraht hat deshalb eine

030020/0887

beschränkte Dicke und auf diese Weise wird eine Torsionsschwingung als Streuung erzeugt und deshalb besteht die Gefahr der Ausbildung einer Streuschwingung, die auf die Filtercharakteristik einwirkt.

Fig. 21 ist eine abgeänderte Ausführungsform des in Fig. 18 gezeigten Biegeschwingungswandlers, der bezüglich der oben beschriebenen Schwierigkeiten verbessert ist, die bei der Ausführungsform der Fig. 18 auftreten.

In Fig. 21 entsprechen 201 bis 206 und 210 jeweils den

Teilen, welche dieselbe Numerierung wie in Fig. haben. 301 ist eine otützplatte als Merkmale der Ausführungsform der Fig. 21. Die Stützplatte 301 ist in der Mitte des Wandlers in Längsrichtung angeordnet und in der Form eines Sandwich zwischen zwei piezoelektrischen keramischen Platten befestigt. Die Stützplatte dient zum Halten des Wandlers und spielt gleichzeitig die Rolle der gemeinsamen Elektrode der piezoelektrischen keramischen Platten 203 und 204.

Fig. 22 zeigt eine Vergrößerung der Stützplatte 301. Fig. 22(a) und (b) zeigen jeweils die Draufsichten der Stützplatte in paralleler oder rechtwinkliger Richtung zur Längsrichtung des Wandlers. Der durch 302 in Fig. 22(a) bezeichnete Teil ist die Elektrode, die mit den piezoelektrischen keramischen Platten 203 und 204 verbunden ist, und ist im Querschnitt (txw) meist gleich den piezoelektrischen keramischen Platten. Der Teil spielt zusätzlich die Rolle der Stützung des Wandlers und hat eine wesentlich kleinere Breite (f) als die Elektrode 302 und deshalb ist sein Querschnitt (t'xw) auch kleiner als der Querschnitt der Elektrode.

Diese Ausfülirungsform ergibt die folgenden Vorteile.

030020/0887

(1) Der von der Verbindungsfläche der beiden piezoelektrischen keramischen Platten abgehende Zuführungsdraht kann weggelassen werden und dadurch können die Produktion vereinfacht und die Zuverlässigkeit erhöht werden.

(2) Zwei derzeit verwendete Stützdrähte können auf einen Draht reduziert werden. Wenn darüber hinaus der Stützdraht in der Mitte der Längsrichtung des Wandlers angeordnet wird, werden die Schwingungsverschiebung und das Biegungsmoment an dieser Stelle Null und dadurch kann die Streuwirkung aufgrund der Halterung verringert werden.

(3) Wenn der Wandler mit der Stützplatte dieser Ausführungsform bei einem mechanischen Filter angewendet wird, das aus drei oder mehr Elementen besteht, kann der von dem Wendler abgehende Zuführungsdraht weggelassen werden. Wenn der in Fig. 21 gezeigte diskrete Wandler angetrieben wird, werden die Metallplatten 201 und 202 mit einem dünnen Draht verbunden und ein einziger Zuführungsdraht erstreckt sich davon. Ein elektrisches Feld muß an die Stützplatte 301 und den Zuführungsdraht angelegt werden. Wenn der Wandler jedoch bei einem mechanischen Filter angewendet wird, das aus drei oder mehr Elementen besteht, wie in Fig.23 gezeigt ist, wird der Zuführungsanschluß von dem Wandler unnötig. 401 und 402 sind Biegeschwingungswandler. 403 ist ein Biegeschwingungsresonator.

und 405 sind Koppler, die zwischen den Wandlern 401 und 402 und dem Resonator 403 koppeln. 303 und 303' sind Stützteile der Stützplatte 30I entsprechend der Ausführungsform der Fig. 21. 406 ist ein Stützdraht, der im allgemeinen an den Resonator 403 angeschweißt ist. Wenn ein elektrisches Signal au den Stützteil 303 des Eingangswandlers 401 und den Stützdraht 406 des Wandlers 403 angelegt wird, wird der

030020/0887

Wandler 401 mit einer gewünschten Frequenz angetrieben. Die beiden Metallplatten 201 und 202 des Wandlers sind auf demselben Potential durch den Resonator und die Koppler 404 und 405 gehalten und die piezoelektrischen keramischen Stücke 203 und 204 werden jeweils mit einem elektrischen Feld über die Elektrode 302 der Stützplatte 301 und die Metallplatten 201 und 202 gespeist. In gleicher Weise werden die Stützteile 303' und der Stützdraht die Ausgangsanschlüsse und ein gefiltertes elektrisches Signal wird von den Anschlüssen abgenommen. Es besteht dabei nicht die Notwendigkeit, einen Zuführungsdraht von dem Wandler 402 abzuführen.

Da kein Stützdraht an den Metallplatten des Wandlers angebracht ist, besteht keine Beschränkung in der Kopplungsstelle der mit dem Wandler verbundenen Koppler. Bei der in Fig. 23 gezeigten Ausführungsform sind zwei Koppler auf derselben Fläche des Wandlers verbunden. Wenn jedoch dieser Wandler bei einem Polfilter angewendet wird, das einen Pol im Dämpfungsband aufweist, besteht die Wahrscheinlichkeit, daß mehrere Koppler mit dem Wandler verbunden sind. In diesem Fall ist es schwierig, die Koppler nur mit derselben Fläche des Wandlers zu verbinden und folglich werden die beiden oberen und unteren Flächen der Metallplatte verwendet. Wenn die Stützdrähte mit der Metallplatte verbunden sind, werden die Stützdrähte gelegentlich ein großes Hindernis für den Aufbau und die Herstellung des mechanischen Filters. Der Wandler der in Fig. 21 gezeigten Ausführungsform ist in der Lage, die oben beschriebenen, bei der Ausführungsform der Fig. vorhandenen Nachteile zu verringern.

Voranstehend sind Biegeschwingungswandler mit niedrigem Kapazitätsverhältnis, hoher Güte Q und guter

030020/0887

Streucharakteristik beschrieben, wobei das neue Prinzip der Dickenscherschwingung in piezoelektrischen keramischen Platten angewendet wird.

Die Wandler haben darüber hinaus eine niedrige Impedanzcharakteristik gemäß der Ausbildung der in den Fig. 18 und 21 gezeigten Ausführungsformen. Zur Vereinfachung der Erläuterung der Erfindung sind als Beispiele Wandler beschrieben, die nur in der Biegeschwingungsa_"t zweiter Ordnung schwingen. Die Erfindung kann jedoch auch bei Wandlern angewendet werden, die in einer Biegeschwingungsart irgendeiner Ordnung schwingen, wenn den Beschreibungen für jede Ausführungsform gefolgt wird.

030020/0887

Claims

REINLÄNDER & BERNHARDT PATENTAfJWALTt 6/403 Orthstraße 12 D-8000 München FUJITSU LIMITED No. 1015i Kamikodanaka Nakahara-ku, Kawasaki-shi Kanagawa 211, Japan Patentansprüche

1.^! Biegeschwingungswandler, der eine elektro-mechanische Umwandlung ausführt, gekennzeichnet durch wenigstens eine Platte aus einer Legierung mit konstantem Modul, durch eine piezoelektrische keramische Platte, deren wenigstens eine Fläche mechanisch mit einem Ende der Platte aus der Legierung mit konstantem Modul gekoppelt ist, wobei die piezoelektrische keramische Platte in einer Richtung polarisiert ist, und durch Leitereinrichtungen, die elektrisch mit beiden Flächen der piezoelektrischen keramischen Platte verbunden sind, die parallel zur Restpolarisationsrichtung liegen, um ein Signal mit vorgeschriebener Frequenz zwischen den beiden Flächen anzulegen, wobei die piezoelektrische keramische Platte eine Dickenscherungsschwingung zeigt, welche die Biegeschwingung des Wandlers auslöst.

2. Biegeschwingungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Restpolarisationsrichtung der piezoelektrischen Platte senkrecht zur Längsrichtung des Wandlers liegt und daß die Leitereinrichtungen einen Stützdraht enthalten, der an dem Biegeschwingungsknotenpunkt auf der Platte aus der Legierung mit konstantem Modul vorgesehen ist und der als Zuführungsdraht dient.

030Ü20/0887

3. Biegeschwingungswandler nach. Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zweite Platte aus einer Legierung mit konstantem Modul, die mit der anderen Fläche der piezoelektrischen keramischen Platte gekoppelt ist, wobei die erste und die zweite Platte aus einer Legierung mit konstantem Modul an den Biegeschwingungsknotenpunkten die Stützdrähte aufweisen.

4. Biegeschwingungswandler nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der ersten Platte aus einer Legierung mit konstantem Modul gleich der Länge der zweiten Platte aus einer Legierung mit konstantem Modul ist, wodurch Biegeschwingungen gerader Ordnung erzeugt werden.

5· Biegeschwingungswandler, der eine elektro-mechanische Umwandlung ausführt, gekennzeichnet durch erste, zweite und dritte Platten aus einer Legierung mit konstantem Modul, durcli eine erste piezoelektrische keramische Platte, die zwischen der ersten und der zweiten Platte aus einer Legierung mit konstantem Modul angeordnet ist, durch eine zweite piezoelektrische keramische Platte, die zwischen der zweiten und der dritten Platte aus einer Legierung mit konstantem Modul vorgesehen ist, wobei die erste und die zweite piezoelektrische keramische Platte entgegengesetzt polarisiert in der Richtung sind, die rechtwinklig zur Längsrichtung der ersten, der zweiten und der dritten Platte aus einer Legierung mit konstantem Modul liegt, und durch erste, zweite und dritte Stützdrähte, die jeweils an den Biegeschwingungsknotenpunkten der ersten, der zweiten und der dritten Platte aus einer Legierung mit konstantem Modul vorgesehen sind und als Zuführungsdrähte wirken, wodurch Signale mit einer vorgeschriebenen Frequenz zwischen den Flächen der ersten und der zweiten piezoelektrischen keramischen Platte angelegt werden, die parallel zur Restpolarisierungsrichtung liegen.

030020/0887

6. Biegeschwingungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Restpolarisierungsrichtung der piezoelektrischen keramischen Platten die gleiche wie die Längsrichtung des Wandlers ist und daß die Leitereinrichtungen Zuführungsdrähte aufweisen, die mit beiden Flächen der piezoelektrischen keramischen Platte verbunden sind, die parallel zur Restpolarisierungsrichtung der piezoelektrischen keramischen Platte liegen.

7. Biegeschwingungswandler, der eine elektro-mechanische Umwandlung ausführt, gekennzeichnet durch erste und zweite Platten aus einer Legierung mit konstantem Modul, durch erste und zweite piezoelektrische keramische Platten, die zwischen der ersten und der zweiten Platte aus einer Legierung mit konstantem Modul vorgesehen sind und die in der jeweils entgegengesetzten Richtung polarisiert sind, die rechtwinklig zur Längsrichtung des Wandlers liegt, und durch erste, zweite und dritte Leitereinrichtungen, die mit einem Signal mit vorgeschriebener Frequenz gespeist werden, wobei die ersten und die zweiten Leitereinrichtungen jeweils mit der ersten und der zweiten Platte aus einer Legierung mit konstantem Modul verbunden sind und die dritte Leitereinrichtung zwischen den ersten und der zweiten piezoelektrischen Platte vorgesehen ist, wodurch die erste und die zweite piezoelektrische keramische Platte eine Dickenscherungsschwingung zeigen, welche die Biegungsschwingung des Wandlers auslöst.

8. Biegeschwingungswandler nach Anspruch 7> dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Leitereinrichtung eine Stützmetallplatte, die zwischen der ersten und der zweiten piezoelektrischen keramischen Platte vorgesehen ist, und einen Stützteil aufweist, der mit der Stützmetallplatte verbunden ist, die als Zuführungsdraht dient.