DE1108275B

DE1108275B - Piezoelectric composite body

Info

Publication number: DE1108275B
Application number: DEG20308A
Authority: DE
Inventors: John Harvey Sherman Jun
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1955-09-28
Filing date: 1956-08-14
Publication date: 1961-06-08

Description

Piezoelektrischer Verbundkörper Die Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Verbundkörper und eine einen solchen Körper enthaltende Anordnung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Eigenschaften eines solchen zusammengesetzten Schwingkörpers so zu verbessern, daß er für den Gebrauch bei sehr tiefen Frequenzen, beispielsweise bei Frequenzen in der Größenordnung von 10 kHz oder weniger, geeignet wird. Dabei soll der Körper leicht herzustellen sein, ein Minimum an Raum einnehmen und wenig Rohmaterial erfordern.Piezoelectric Composite Body The invention relates to a piezoelectric composite body and an arrangement containing such a body. The invention is based on the object of the properties of such a composite To improve the vibrating body so that it is suitable for use at very low frequencies, for example, at frequencies on the order of 10 kHz or less, suitable will. The body should be easy to manufacture and take up a minimum of space and require little raw material.

Es ist bereits bekannt, für Schallaufnahme- und Schallwiedergabevorrichtungen einen piezoelektrischen Verbundkörper zu benutzen, der aus zwei plattenförmigen, auf ihren großen Oberflächen mechanisch miteinander verbundenen Teilen besteht, die in einem beide Teile durchsetzenden elektrischen Feld angeordnet sind. Die Achsen der piezoelektrischen Ausdehnung bzw. Zusammenziehung der beiden miteinander vereinigten Teile sind dabei einander parallel, aber entgegengesetzt zueinander gerichtet, so daß der Verbundkörper in dem erregenden Wechselfeld Biegungsbewegungen ausführt.It is already known for sound recording and reproducing devices to use a piezoelectric composite body, which consists of two plate-shaped, consists of mechanically interconnected parts on their large surfaces, which are arranged in an electric field penetrating both parts. The axes the piezoelectric expansion or contraction of the two combined Parts are parallel to each other, but directed opposite to each other, see above that the composite body executes bending movements in the exciting alternating field.

Bei Biegungsschwingern lassen sich mit verhältnismäßig kleinen Volumina piezoelektrischer Masse bereits niedrigere Resonanzfrequenzen erzielen als bei Dickenschwingern oder Scherungsschwingern, jedoch sind bei ihnen die in Ruhe bleibenden Oberflächenpunkte, welche sogenannte Knotenlinien der Schwingung bilden, noch nicht ganz eindeutig bestimmbar. Dies wäre aber für die Anbringung der Halterungselemente von großer Bedeutung.In the case of flexural oscillators, relatively small volumes piezoelectric mass already achieve lower resonance frequencies than with thickness transducers or shear vibrations, but with them the surface points that remain at rest are which so-called nodal lines of the oscillation form, not yet completely clear determinable. However, this would be of great importance for the attachment of the mounting elements Meaning.

Es sei erwähnt, daß es auch bekannt ist, durch Zusammensetzung einer rechteckigen Kristallplatte aus zwei oder mehreren in geeigneter Weise orientierten Teilen durch Verbindung an ihren schmalen Kanten in einem homogenen elektrischen Feld Scherungsschwingungen anzuregen, bei denen die Platte außerhalb der Nullage der Schwingung Trapez- oder Rhombusform annimmt. Dieselben Schwingungsformen lassen sich in einer anderen bekannten Anordnung auch mit einer homogenen Platte zwischen entsprechend aufgeteilten und an die Klemmen der Wechselspannungsquelle in geeigneter Weise angeschlossenen Elektroden erzielen. Infolge der großen elastischen Rückführungskräfte bei derartigen Scherungsschwingungen sind die Resonanzfrequenzen auch entsprechend hoch, so daß mit solchen Schwingern nicht die Aufgabe gelöst werden kann, ohne großen Aufwand an piezoelektrischem Material niedrige Resonanzfrequenzen zu erzielen.It should be noted that it is also known by composing a rectangular crystal plate made of two or more appropriately oriented Share by connecting at their narrow edges in a homogeneous electrical Field to excite shear vibrations in which the plate is outside the zero position the oscillation takes on a trapezoidal or rhombus shape. Let the same waveforms in another known arrangement with a homogeneous plate between appropriately divided and connected to the terminals of the AC voltage source in a suitable manner Way to achieve connected electrodes. As a result of the large elastic return forces in the case of such shear vibrations, the resonance frequencies are also corresponding high, so that the task cannot be solved with such vibrators without major Expenditure on piezoelectric material to achieve low resonance frequencies.

Zur Lösung dieser Aufgabe und zur genauen Festlegung der beim Schwingen in Ruhe bleibenden Oberflächenteile wird von einem piezoelektrischen Verbundkörper ausgegangen, der aus zwei plattenförnügen, auf je einer ihrer Hauptflächen miteinander verbundenen piezoelektrischen Körpern zusammengesetzt ist, welche unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes Ausdehnungen und Zusammenziehungen in zu den mit den miteinander verbundenen Hauptflächen parallelen Achsenrichtungen erfahren. Bei einem solchen Verbundkörper sind erfindungsgemäß die plattenförmigen Körper so zueinander angeordnet, daß die Achsenrichtungen der Ausdehnung bzw. Zusammenziehung beider Platten einander unter einem wesentlich von 0 bis 180° verschiedenen Winkel kreuzen. Ein in dieser Weise ausgebildeter Verbundkörper biegt sich in einem homogenen, seine Hauptflächen senkrecht durchsetzenden Feld in Form einer sogenannten Sattelfläche durch. Längs der beiden Diagonalen einer rechteckigen Platte sind dabei die Durchbiegungen zueinander gegensinnig. Bei dem Schnittpunkt der Diagonalen bleibt jedoch die Oberfläche in Ruhe. An diesem sehr genau bestimmten Ort besteht ein Punkt, in welchem beim Schwingen die Normale auf der Oberfläche in Ruhe bleibt. Ein solcher Punkt sei als ein absoluter Knoten bezeichnet. Er eignet sich vorzüglich zum Befestigen eines Halterungselementes an dieser Stelle.To solve this problem and to precisely determine when swinging Surface parts that remain at rest are made of a piezoelectric composite body assumed that the two plattenförnügen, each on one of their main surfaces with each other connected piezoelectric bodies is composed, which is under the influence an electric field expansions and contractions in to with each other connected main surfaces experience parallel axis directions. With such a According to the invention, composite bodies, the plate-shaped bodies are arranged in relation to one another in such a way that that the axial directions of expansion and contraction of both plates are mutually exclusive cross at an angle substantially different from 0 to 180 °. One in this Wise formed composite body bends in a homogeneous, its main surfaces vertically penetrating field in the form of a so-called saddle surface. Along of the two diagonals of a rectangular plate are the deflections to one another in opposite directions. At the intersection of the diagonals, however, the surface remains in Quiet. At this very precisely determined place there is a point in which when vibrating the normal on the surface remains at rest. Such a point is considered to be an absolute Called node. It is particularly suitable for attaching a mounting element at this point.

Hinsichtlich des Aufwandes an piezoelektrischem Material für Bauelemente mit niedrigen Resonanzfrequenzen verhält sich der angegebene Sattelbieger ähnlich günstig wie die bekannten Biegerelemente. Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines piezoelektrischenVerbundkörpers nach der Erfindung beträgt der überkreuzungswinkel der Achsenrichtungen der Ausdehnung bzw. Zusammenziehung beider Platten wenigstens annähernd 90°. Die Platten werden vorzugsweise durch eine zu den - aufeinanderliegenden Hauptflächen senkrecht stehende gemeinsame Prismen- oder Zylinderfläche begrenzt. Besonders können die aufeinanderliegenden Hauptflächen rechteckig oder aber auch kreisförmig begrenzt sein. Die Achsen der Ausdehnung und Zusammenziehung können bei einer Begrenzung in Form eines Vieleckes in Richtung von Diagonalen oder in Richtung von Plattenbegrenzungslinien verlaufen.With regard to the cost of piezoelectric material for components The specified saddle bender behaves similarly with low resonance frequencies cheap like the known bending elements. With a preferred Embodiment of a piezoelectric composite body according to the invention is the crossing angle of the axial directions of expansion and contraction both plates at least approximately 90 °. The plates are preferably through a common prisms standing perpendicular to the main surfaces lying on top of each other or limited cylinder surface. In particular, the main surfaces lying on top of one another be limited rectangular or circular. The axes of expansion and Contraction can be in the direction of a limitation in the form of a polygon run from diagonals or in the direction of the slab boundary lines.

Die äußeren Hauptflächen der Platten des Ver-Verbundkörpers tragen vorzugsweise in an sich bekannter Weise als Elektroden dienende Leiterschichten. Um eine möglichst geringe Dämpfung des schwingenden Verbundkörpers durch die Halterung zu erzielen, sollen die Halterungselemente an einer überkreuzungsstelle zweier Knotenlinien angreifen. Dazu können in an sich bekannter Weise an den Leiterschichten der äußeren Hauptflächen befestigte Drähte verwendet werden, welche gleichzeitig als Stromzuführungen dienen.Wear the major outer surfaces of the panels of the composite body conductor layers serving as electrodes, preferably in a manner known per se. In order to minimize the damping of the vibrating composite body by the holder to achieve, the mounting elements should be at a crossing point of two node lines attack. For this purpose, in a manner known per se, on the conductor layers of the outer Main surfaces attached wires are used, which also serve as power supplies to serve.

In Fig. 1 der Zeichnung ist als Beispiel eine Ausführungsform eines piezoelektrischenVerbundkörpers nach der Erfindung gezeigt. Der Kristallkörper 1 besteht aus einem Paar von dünnen Platten 2 und 3, die bei 4 durch ein Lötmittel oder ein anderes geeignetes Mittel Fläche auf Fläche miteinander verbunden sind. Die großen Begrenzungsflächen der einzelnen Platten seien als Hauptflächen bezeichnet. Die freien Hauptflächen 5 und 6 der Platten können mit einer Schicht aus Silber oder einem anderen Metall bedeckt sein. Halterungsdrähte 7 und 8 sind durch Löten oder in anderer geeigneter Weise an den mittleren Teilen der äußeren Hautpflächen der Platten 2 und 3 befestigt. Diese Drähte tragen den Schwingkörper und bilden gleichzeitig die Stromzuführungen für die Erregung des Schwingkörpers. Die Halterungsdrähte 7 und 8 werden von leitenden Stützen 9 und 10 getragen, welche mit den Kontakten 11 und 12 an dem Sockelteil 13 verbunden sind. Die Verbindungen mit einer äußeren Schaltung werden über die Kontakte 11 und 12 hergestellt.In Fig. 1 of the drawing, an embodiment of a piezoelectric composite body according to the invention is shown as an example. The crystal body 1 consists of a pair of thin plates 2 and 3 which are joined face to face at 4 by solder or other suitable means. The large boundary surfaces of the individual plates are referred to as main surfaces. The free main surfaces 5 and 6 of the plates can be covered with a layer of silver or another metal. Support wires 7 and 8 are attached to the central portions of the outer skin surfaces of the plates 2 and 3 by soldering or in any other suitable manner. These wires carry the vibrating body and at the same time form the power supply lines for the excitation of the vibrating body. The support wires 7 and 8 are carried by conductive supports 9 and 10 which are connected to the contacts 11 and 12 on the base part 13. The connections to an external circuit are made via contacts 11 and 12.

Die Platten 2 und 3 können aus irgendeinem piezoelektrischen Material hergestellt sein, beispielsweise aus Quarz, aus Titanaten, Ethyldiamintartraten, aus Turmalin, Rochellesalz od. ä. Diese Platten können durch bekannte geeignete Kleber miteinander verbunden sein, beispielsweise mittels eines bei Erwärmung oder ohne Erwärmung aushärtenden Plastes oder durch überziehen der Oberflächen mit einer Silberpaste und Einbrennen einer Silberschicht mit darauf folgendem Zusammenlöten. Die freien Hauptflächen der Platten 2 und 3 können auf eine bekannte Weise mit einem Metallüberzug bedeckt werden, wie durch chemische Anlagerung oder durch Metallsprüh- oder Verdampfungsverfahren. Zur elektrischen Verbindung und Halterung dienen die Halterungsdrähte 7 und 8 als ein Paar von nicht vorgespannten Drähten, welche mit den Platten durch bekannte Mittel verbunden sind. In Alternative zu der dargestellten Halterung mittels Drähte kann auch eine Einspannung in einer Klemmfassung verwendet werden. Größe, Abmessungen und Schnitt der Kristallplatten sind so gewählt, daß sich die gewünschte Eigenfrequenz und das erforderliche Verhältnis der äquivalenten Induktivität zur Kapazität sowie eine hinreichende Temperaturunabhängigkeit ergeben.The plates 2 and 3 can be made of any piezoelectric material, for example quartz, titanates, ethyldiamine tartrates, tourmaline, Rochelle salt or the like Plastes or by coating the surfaces with a silver paste and baking a layer of silver with subsequent soldering. The major free surfaces of the plates 2 and 3 can be covered with a metal coating in a known manner, such as by chemical deposition or by metal spraying or evaporation processes. For electrical connection and support, support wires 7 and 8 serve as a pair of non-prestressed wires which are connected to the plates by known means. As an alternative to the illustrated holder by means of wires, clamping in a clamp mount can also be used. The size, dimensions and section of the crystal plates are selected in such a way that the desired natural frequency and the required ratio of the equivalent inductance to the capacitance as well as sufficient temperature independence are obtained.

Fig.2 zeigt in perspektivischer Darstellung die voneinander entfernten Platten 2 und 3. Die mit unterbrochenen Linien gezeichneten Platten 2' und 3' stellen die Form dar, welche die einzelne Platte unter dem Einfluß eines normal zu einer Hauptfläche auf die Platte einwirkenden elektrischen Feldes annimmt. Die Formänderung ist zum Zwecke der Erklärung in den Größenverhältnissen stark übertrieben dargestellt. Es ist zu beachten, daß die Achsenrichtungen der Ausdehnung bzw. Zusammenziehung der Platten 2 und 3 einander im wesentlichen unter einem rechten Winkel kreuzen. Ein normal zu einer der Hauptflächen der Platten 2 und 3 eingeführtes elektrisches Feld hat auf die Platte 2 die Wirkung, die obere und untere Kante einander anzunähern und die Seitenkanten voneinander zu entfernen, während bei der Platte 3 die Seitenkanten einander näher rücken und die obere und untere Kante sich voneinander entfernen. In Fig. 3 ist der aus den Platten 2 und 3 zusammengesetzte plattenförmige Verbindungskörper dargestellt. Seine Diagonalen 17 und 18 bilden Knotenlinien der Schwingungsbewegung. Auf ihnen liegen diejenigen Oberflächenelemente, welche in Ruhe bleiben. Die Pluszeichen geben Teile der Platte an, welche in dem betrachteten Zeitpunkt von der in Ruhe befindlichen Ebene der Platte aus in der einen Richtung ausgelenkt sind, während die Minuszeichen solche Plattenteile bezeichnen, welche gleichzeitig in der anderen Richtung ausgelenkt sind. Man erkennt, daß sich die Knotenlinien in der Mitte der Platte in einem Punkt 23 schneiden. Dieser Schnittpunkt ist ein absoluter Knotenpunkt. Es ist erwünscht, die mechanische Halterung und die Stromzuführung in diesem Punkt angreifen zu lassen. Das Aktivitätsmaß des Kristalls bleibt dann von den mechanischen Halterungsmitteln unbeeinflußt. Die Aufhängung an irgendeinem anderen Punkt würde die Halterungsteile Biegungsbeanspruchungen aussetzen und einen Energieverlust über die Halterung zur Folge haben.2 shows a perspective view of the spaced apart Plates 2 and 3. Place the plates 2 'and 3' drawn with broken lines represents the shape which the individual plate under the influence of a normal to a Assumes main surface acting on the plate electric field. The change in shape is shown greatly exaggerated for the purpose of explanation. It should be noted that the axial directions of expansion and contraction of the plates 2 and 3 cross each other substantially at a right angle. An electrical inserted normal to one of the major surfaces of the plates 2 and 3 Field has the effect on plate 2 of bringing the upper and lower edges closer together and to remove the side edges from each other, while in the case of plate 3, the side edges move closer to each other and the top and bottom edges move away from each other. In Fig. 3, the plate-shaped connecting body composed of the plates 2 and 3 is shown shown. Its diagonals 17 and 18 form nodal lines of the oscillation movement. Those surface elements that remain at rest lie on them. The plus signs indicate parts of the plate which are at rest at the observed point in time located plane of the plate are deflected from in one direction while the minus signs denote those parts of the plate which are at the same time in the other Direction are deflected. You can see that the nodal lines are in the middle of the Cut the plate at a point 23. This intersection is an absolute hub. It is desirable to have the mechanical support and power supply at this point to attack. The activity level of the crystal then remains different from the mechanical Holding means unaffected. The suspension at any other point would subject the bracket parts to bending stresses and loss of energy result in the bracket.

Die Art der von dem zusammengesetzten Schwingkörper der Fig. 1 ausgeführten Schwingung wird durch die perspektivische Ansicht der Fig. 4 verdeutlicht, in welcher mit den unterbrochenen Linien 16 die Form des Körpers im spannungslosen Zustand angegeben ist, während die nicht unterbrochenen Linien 15 den Körper im gespannten bzw. schwingenden Zustand zeigen. Die Bereiche 17 und 18 kennzeichnen den Verlauf der Schwingungsknotenlinien. Der Punkt 23 ist ein absoluter Knoten. Wenn auch in den Fig. 3 und 4 die Ausdehnungsachsen als den Kanten der rechteckigen Platten parallel gezeigt sind, ist doch zu unterstellen, daß diese Achsen auch den Plattendiagonalen parallel sein können. Wenn von dieser zweiten Möglichkeit Gebrauch gemacht ist, ergeben sich die Knotenlinien wie in Fig. 5. Die Geraden 17' und 18' stellen Knotenlinien dar, und der Punkt 23' ist ein absoluter Knoten.The type of performed by the composite vibrating body of FIG Vibration is illustrated by the perspective view of FIG. 4, in which with the broken lines 16 the shape of the body in the de-energized state is indicated, while the unbroken lines 15 the body in the tense show or oscillating state. The areas 17 and 18 mark the course of the nodal lines. Point 23 is an absolute knot. Even if in Figures 3 and 4 show the axes of expansion as parallel to the edges of the rectangular plates are shown, it is to be assumed that these axes also correspond to the plate diagonals can be parallel. If this second option is used, the knot lines result as in FIG. 5. The straight lines 17 'and 18' represent knot lines and point 23 'is an absolute knot.

Die Anordnung nach Fig. 5 würde bei einer tieferen Frequenz arbeiten als die entsprechende Anordnung nach den Fig. 3 und 4. Die Schwingungsform nach Fig. 5 ergibt die niedrigste erreichbare Frequenz für eine Platte von vorgegebenen Ausmaßen. Daraus ergibt sich, daß in den meisten Fällen solche Schnitte, bei welchen in einem elektrischen Feld eine Flächenscherung der Hauptfläche hervorgerufen wird, im Falle der praktischen Verwirklichung der Erfindung zu bevorzugen sind.The arrangement of Figure 5 would operate at a lower frequency than the corresponding arrangement according to FIGS. 3 and 4. The waveform according to Fig. 5 gives the lowest achievable frequency for a disk of given Dimensions. It follows that in most cases such cuts, in which a surface shear of the main surface is caused in an electric field, in the Preferred case of practicing the invention are.

Es sei erwähnt, daß eine Vielzahl unterschiedlicher Kristallschnitte für nach der Erfindung hergestellte Schwingkörper verwendet werden kann, beispielsweise ein Schnitt der bekannten X-Familie oder Y-Familie oder andere spezielle Schnitte, wenn in diesen sich in einer Hauptfläche der Platte in einer Richtung eine Ausdehnung unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes längs der Dickenausdehnung der Platte ergibt.It should be mentioned that a large number of different crystal cuts can be used for oscillating body produced according to the invention, for example a pattern of the known X-family or Y-family or other special cuts, if in these there is an expansion in a main surface of the plate in one direction under the influence of an electric field along the thickness of the plate results.

Die Platten 2 und 3 der Fig. 1 sind sehr dünne Platten, welche einzeln bei viel höheren Frequenzen schwingen würden, beispielsweise bei Frequenzen in der Größenordnung von Megahertz. Mit einer zusammengesetzten Platte nach Fig. 1 ergibt sich eine Eigenfrequenz in der Größenordnung einiger tausend Hertz. Für einen erprobten Schwingkörper wurde ein Paar von Kristallplatten verwendet, deren Hauptflächen 13 - 13 mm groß waren und deren Dicke 0,26 mm betrug. Diese Platten besaßen einzeln bei Erregung in Dickenscherschwingungen eine Eigenfrequenz von 6,5 MHz und bei Flächenscherschwingungen von 240 kHz. Wenn sie aber entsprechend der Erfindung miteinander verbunden waren, besaß der dann entstehende Schwingkörper eine Eigenfrequenz von 16 kHz.The plates 2 and 3 of Fig. 1 are very thin plates, which individually would vibrate at much higher frequencies, for example at frequencies in the The order of magnitude of megahertz. With a composite plate according to FIG. 1 results a natural frequency of the order of a few thousand Hertz. For a tried and tested Vibrating body was used a pair of crystal plates, the major surfaces of which are 13 - 13 mm in size and 0.26 mm in thickness. These plates owned individually with excitation in thickness shear vibrations a natural frequency of 6.5 MHz and with surface shear vibrations of 240 kHz. But if they were connected to each other according to the invention, the resulting vibrating body had a natural frequency of 16 kHz.

Es können auch Platten mit Oberflächen verwendet werden, welche durch gekrümmte Umrißlinien begrenzt sind, wie beispielsweise die in Fig. 6 dargestellte kreisförmige Platte. Die Begrenzung kann auch die Form einer Ellipse oder eine andere kompliziertere Form haben. Andere Formen geradlinig begrenzter Platten, also in Form beliebiger Polygone, regelmäßiger oder unregelmäßiger, können ebenfalls verwendet werden. Im allgemeinen werden dabei die beiden Platten 2 und 3 durch eine zu den aufeinanderliegenden Hauptflächen senkrecht stehende gemeinsame Prismen- oder Zylinderfläche begrenzt.It can also be used panels with surfaces which through curved contours such as that shown in FIG. 6 are limited circular plate. The boundary can also be in the shape of an ellipse or some other have a more complicated shape. Other forms of linearly bounded panels, i.e. in Any shape of polygons, regular or irregular, can also be used will. In general, the two plates 2 and 3 by one to the Main surfaces lying on top of one another, common prismatic or cylindrical surface standing perpendicularly limited.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Piezoelectric composite body consisting of two plate-shaped piezoelectric ones connected to one another on each of their main surfaces Bodies is composed, which under the influence of an electric field Expansions and contractions in to the main surfaces connected to one another experience parallel axis directions, characterized in that the plate-shaped Bodies are arranged to one another in such a way that the axial directions of the expansion or Contraction of the two plates to one another at a rate substantially different from 0 and 180 ° Cross angles.

2. Body according to claim 1, characterized in that the crossing angle is at least approximately 90 °.

3. Body according to claim 1 or 2, characterized in that that the two plates (2, 3) through one to the superposed main surfaces perpendicular common prism or cylinder surfaces are limited.

4. Body according to claim 3, characterized in that the main surfaces lying on top of one another are limited rectangular (Fig. 1).

5. Body according to claim 3, characterized in that that the main surfaces lying on top of one another are bounded in a circle (Fig. 6).

6th Body according to claims 1 and 4, characterized in that the axes of expansion and contraction are in the direction of the diagonal (Fig. 3).

7. Body after claims 1 and 4, characterized in that the axes of extension and Contraction in the direction of the plate boundary lines (Fig. 5). B.

Body according to one of claims 1 to 7, characterized in that the outer Main surfaces (5, 6) of the plates serving as electrodes in a manner known per se Wear conductor layers.

9. A body assembly according to any one of claims 1 to 8, characterized in that holding means at a crossover point (23) attack two knot lines.

10. Arrangement according to claim 9, characterized in that that in a manner known per se as holding means conductive on the conductor layers the outer main surfaces attached wires (7, 8) are used, which at the same time serve as power supplies. Publications considered: German patent specification No. 590 996; British Patent No. 255,463; U.S. Patent No. 1930 536, 2 410 825.