-
In seiner XY-Ebene schwingender piezoelektrischer Bieger und Verfahren
zu seiner Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf einen in seiner XY-Ebene schwingenden
piezoelektrischen Bieger in Form eines stabförmigen Körpers von wenigstens nahezu
quadratischem Querschnitt mit je einer Elektrodenbelegung auf seinen vier Längsseiten
sowie auf ein Verfahren zur Herstellung des genannten Biegungsschwingers.
-
Es ist bereits ein piezoelektrischer Schwinger bekannt, der durch
einen stabförmigen Körper von nahezu quadratischem Querschnitt gebildet wird und
auf seinen vier Längsseiten Elektrodenbelegungen trägt, welche an den Längskanten
ihrer Flächen schmale Streifen der Oberfläche des piezoelektrischen Körpers frei
lassen und im wesentlichen untereinander gleich ausgebildet sind, wobei Mittel zur
Stromzuführung für jede der Belegungen vorgesehen sind.
-
In Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines bekannten, aus einem
Kristall bestehenden, in seiner XY-Ebene Biegungsschwingungen ausführenden piezoelektrischen
Elementes dargestellt; Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den stabförmigen Biegungsschwinger
der Fig. 1 und zeigt die Struktur des elektrischen Feldes in einem gegebenen Augenblick:
Fig. 3 ist eine Diagrammdarstellung, welche in der richtigen Lage in bezug auf Fig.
1 die Richtungen der drei Achsen X, Y und Z zeigt, wobei diese Achsen entsprechend
der üblichen Bezeichnungsweise benannt sind.
-
Das in Fig. 1 dargestellte, in seiner XY-Ebene Biegungsschwingungen
ausführende Kristallelement kann als typischer Vertreter der bekannten Bauelemente
dieser Art betrachtet werden, welche durch die Erfindung verbessert werden sollen.
Dieses Kristallelement besteht aus einem stabförmigen Kristall 1 mit nahezu quadratischem
Querschnitt, der beispielsweise durch einen einheitlichen -L 5°-X-Schnitt gebildet
wird. Die einander gegenüberliegenden XY-Flächen sind mit einem durch Plattierung
oder auf andere Weise erzeugten Metallüberzug versehen, der durch eine Schraffur
angedeutet ist und der zur Herstellung einer leitenden Verbindung zusammenhängend
über die Endflächen des Stabes hinwegreicht. Wie man für die in der Zeichnung oben
liegende XY-Fläche erkennen kann, ist der dicht vor den Längskanten aufhörende Metallüberzug
an einer Stelle der Oberfläche unterbrochen, welche ungefähr ein Viertel der Gesamtlänge
des piezoelektrischen Körpers von dem einen Ende des Körpers entfernt liegt. Auf
der anderen XY-Fläche, welche in Fig. 1 nicht sichtbar erscheint, ist der Metallüberzug
in entsprechender Weise unterbrochen, und zwar an einer Stelle, welche etwa ein
Viertel der Gesamtlänge des Körpers von dem anderen Ende entfernt ist. Die in der
Zeichnung mit XY bezeichnete Belegung, deren über die Endflächen reichenden Verbindungen
mit E benannt sind, bildet die eine Elektrode des piezoelektrischen Körpers. Auch
auf den einander gegenüberliegenden XZ-Flächen ist eine leitende Metallbelegung
angebracht, welche bis kurz vor die Längskanten des stabförmigen Körpers reicht,
wie dies für eine dieser Flächen durch die mit YZ bezeichnete Schraffur angedeutet
ist. Die beiden Belegungen auf den YZ-Flächen sind durch brückenartige Belegungsteile
miteinander verbunden, welche in Unterbrechungen der Belegungen auf den XY-Flächen
angeordnet sind und von denen eine in Fig. 1 mit B bezeichnet ist. Im Falle eines
zweipoligen Anschlusses des Elementes bilden die Belegungen auf den YZ-Flächen die
zweite Elektrode des Elementes. Wenn jedoch ein dreipoliger Anschluß vorgesehen
werden soll, können die Belegungen auf den XY-Flächen getrennt benutzt werden, indem
die eine den zweiten Elektrodenanschluß und die andere den dritten bildet. Die Zuführungs-
und Haltedrähte sind mit W bezeichnet.
-
Fig.2 stellt einen Querschnitt durch den piezoelektrischen Körper
in einer XZ-Ebene dar. Sie zeigt die Struktur des elektrischen Feldes in einem Augenblick,
in
welchem die XY-Flächen positiv und die YZ-Flächen negativ sind. Auf der rechten
Seite der Mittellinie Z-Z in Fig. 2 hat das Feld eine Komponente in einer bestimmten
Richtung längs der X-Achse, und auf der linken Seite der genannten Mittellinie hat
das Feld eine Komponente in der entgegengesetzten Richtung längs der X-Achse, so
daß auf der einen Seite eine Ausdehnung und auf der anderen Seite eine Zusammenziehung
des piezoelektrischen Körpers in Richtung der Y-Achse hervorgerufen wird, was eine
Biegung des stabförmigen Körpers zur Folge hat. Die neutrale Fläche der Biegung
ist diejenige XZ-Ebene, in welcher die Haltedrähte W angebracht sind.
-
Derartige piezoelektrische Biegungsschwinger sind vielfach im praktischen
Gebrauch und arbeiten auch im allgemeinen befriedigend, jedoch weisen sie die wesentlichen
Nachteile auf, daß ihre Metallbelegungen ziemlich komplizierte Formen aufweisen
und infolgedessen nur unter Schwierigkeiten und mit großem Kostenaufwand mit der
erforderlichen Genauigkeit aufgebracht werden können. Da ferner die mechanischen
Haltedrähte nur in einer Ebene angeordnet sind, ist die Widerstandsfähigkeit gegenüber
mechanischen Beanspruchungen verhältnismäßig gering. Das Fertigschleifen eines piezoelektrischen
Elementes für eine bestimmte Frequenz ist ebenfalls sehr schwierig und kann kaum
ohne Beschädigung der bereits angebrachten Metallelektroden durchgeführt werden.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, piezoelektrische Biegungsschwinger
der betrachteten Art zu verbessern und ihre Herstellung leichter und billiger zu
gestalten. Gleichzeitig soll der Abgleich auf eine bestimmte Frequenz bzw. die Einstellung
auf vorbestimmte elektrische Konstanten - besonders bestimmte Werte der Induktivität
und der Nebenschlußkapazität - sowie die Einhaltung dieser Werte mit einem hohen
Grad von Gleichmäßigkeit während des Herstellungsprozesses erleichtert werden. Ferner
soll der auf diese Weise hergestellte piezoelektrische Biegungsschwinger gegenüber
mechanischen Beanspruchungen sehr widerstandsfähig sein und sich für die Verwendung
in beliebigen elektrischen Oszillator- und Filteranordnungen eignen.
-
Erfindungsgemäß besitzen die gleichzeitig Halterungselemente des Körpers
bildenden Zuführungsdrähte, die mit den einander gegenüberliegenden Belegungen verbunden
sind, paarweise gemeinsame Längsachsen, und die Längsachse des einen Paares kreuzt
diejenige des anderen Paares in einem in Längsrichtung des Körpers sich erstreckenden
Abstand unter einem rechten Winkel, und die Orte der Verbindungen der Zuführungsdrähte
mit den Belegungen liegen wenigstens ungefähr auf den Längsmittellinien der zugehörigen
Flächen.
-
Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung
eines piezoelektrischen Biegers mit den angegebenen Merkmalen, nach welchen der
stabförmige piezoelektrische Körper zunächst mit Ausnahme seiner Endflächen vollständig
mit einem leitenden überzug versehen wird, dessen die genannten schmalen Streifen
in der Nähe der Längskanten der Belegungen bedeckender Teil darauf wieder entfernt
wird, beispielsweise durch Beschleifen dieser Längskanten.
-
Durch die Ausbildung des piezoelektrischen Biegers nach der Erfindung
wird die angegebene Aufgabe in befriedigender Weise gelöst. Der entsprechend der
Erfindung ausgebildete Schwinger weist eine große Festigkeit der Halterung auf und
ist daher gegenüber mechanischen Stoßbeanspruchungen sehr widerstandsfähig. Außerdem
wird eine Verbesserung in der Gleichmäßigkeit der elektrischen und mechanischen
Eigenschaften erzielt.
-
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines nach der Erfindung ausgebildeten
piezoelektrischen Biegungsschwingers. Der piezoelektrische Körper selbst ist wieder
mit 1 bezeichnet. Die vier untereinander gleichen Elektrodenbelegungen, von denen
in der Zeichnung zwei sichtbar und durch eine Schraffur hervorgehoben sind, sind
mit PI bis P4 bezeichnet. Die Halte- und Zuführungsdrähte sind entsprechend mit
W1 bis W4 bezeichnet. Sie sind an den zueinander parallelen Halterungsstäben R befestigt,
welche durch die Halterungsscheiben D aus Glimmer oder einem anderen geeigneten
Material hindurchgesteckt sind. Die Halterungsscheiben.D passen in die rohrförmige
Umhüllung V hinein, welche am Schluß des Herstellungsprozesses evakuiert und vakuumdicht
verschlossen wird. Die Hülle V setzt sich an einem ihrer Enden in einen in der Zeichnung
nicht dargestellten Sockel fort, von welchem Anschlußstecker ausgehen, welche mit
den Halterungsstäben R durch die Drähte C verbunden sind.
-
Die Ausführungsform eines piezoelektrischen Biegungsschwingers nach
Fig. 4 hat nicht nur den Vorzug der Einfachheit und Billigkeit. Die Tatsache, daß
die vier voneinander getrennten Elektroden untereinander gleich sind, ergibt auch
elektrische Vorteile. Besonders ist dies bei der Anwendung in Filterschaltungen
der Fall. Die Konstruktion ist außerdem gegenüber mechanischen Beanspruchungen außerordentlich
robust und ermöglicht eine ausgezeichnete Gleichmäßigkeit der Ergebnisse bei der
Herstellung. Außerdem kann bei der Herstellung der Feinabgleich auf eine gewünschte
Resonanzfrequenz durch Feinschleifen bzw. Läppen der Endflächen E' des stabförmigen
Kristallkörpers vorgenommen werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß die Elektrodenbelegungen
beschädigt werden.
-
Es sei darauf hingewiesen, daß Fig. 4 nur als eine schematische Darstellung
zu bewerten ist, welche das Prinzip der Erfindung erkennen lassen soll, und daß
sie nicht dazu bestimmt ist, eine genaue Darstellung von Einzelheiten der Konstruktion
zu geben. Beispielsweise sind in Fig. 4 die Durchmesser der Drähte W1 bis W4 und
der Stäbe R gleichgewählt, um ihre Anordnung besser erkennen zu lassen. Bei praktischen
Ausführungsformen werden im allgemeinen die Drähte W1 bis W4 wesentlich dünner sein
als die Stäbe R. Beispielsweise können die Drähte W1 bis W4 einen Durchmesser von
0,1 bis 0,25 mm haben und in der üblichen Weise mittels kuLyelförmiger Löttropfen
von hinreichend großer Masse (um Drahtresonanzen zu vermeiden) mit den Stäben R
zusammengelötet sein, welche etwa den vierfachen Durchmesser der Drähte W1 bis W4
besitzen.