DE1955500A1

DE1955500A1 - Doppelplattenfoermiger Bieger

Info

Publication number: DE1955500A1
Application number: DE19691955500
Authority: DE
Inventors: Schafft Hugo Willy
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1968-11-06
Filing date: 1969-11-04
Publication date: 1970-06-11
Also published as: FR2022726A1; DE1955500B2; NL168380C; NL6916707A; GB1278996A; DE1955500C3; DE6942867U

Description

Doppelplattenförmiger Bieger

Die Erfindung "betrifft einen doppelplattenformigen Bieger mit zwei durch eine Mittellamelle verbundenen Scheiben aus einem Keramikmaterial oder einem piezoelektrischen Material, wobei die Scheiben beiderseits mit Elektroden versehen sind.

Bei einem doppelplattenformigen Bieger tritt die maximale Deformation an der Oberfläche des konstruktiven Aufbaus auf. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, die aus einem Keramikmaterial oder einem piezoelektrischen Material bestehenden Scheiben des doppelplattenformigen Biegers nur im Oberflächenbereich vorzusehen, was in der Regel dadurch erreicht wird, dass zwischen die beiden Scheiben eine Mittellamelle aus einem sogenannten "toten" Material eingefügt wird. Durch das Einfügen der Mittellamelle erhöht sich der Koppelfaktor und das Ausgangssignal des doppelplattenformigen Biegers.

OftlGfNAL

Ps/wi Auf

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Auf die inneren Oberflächen der beiden Scheiben des Biegers sind Elektroden aufplattiert. Für die Funktion ist es wichtig, dass diese Elektroden elektrisch miteinander verbunden sind. Aus diesem Grund wird die Mittellamelle bei bekannten doppelplatt enförmi gen Biegern aus einem elektrisch leitenden Material gebildet und mit einem elektrisch leitenden Epoxydharz an die Elektroden angeklebt. Durch das Verwenden eines elektrisch leitenden Epoxydharzes wird die Klebeverbindung weniger fest als bei einem herkömmlichen Epoxydharzkleber, so dass sich diese unter den Biegebeanspruchungen beim Betrieb lösen kann. Die Schicht aus dem leitenden Epoxydharz ist verhältnismässig schwer, wodurch viskoelastische Verluste hervorgerufen werden, die sich in einer Erniedrigung des Koppelfaktors und in einer Verkleinerung des Ausgangssignals erkennbar machen. Auch muss äusserste Sorgfalt darauf verwendet werden, dass während des Zusammenklebens in dem Epoxydharzgemisch keine Luftblasen auftreten, da diese ebenfalls auf die Haltefähigkeit der Klebeverbindung einwirken. Dies ist besonders schwierig bei den bekannten massiven Mittellamellen zu erreichen. Diese massiven Mittellamellen wirken sich auch in einer Begrenzung der Ausdehnung und Kürzung der Keramikscheiben oder piezoelektrischen Scheiben aus, so dass sich in den Scheiben eine Vorspannung ausbildet, wodurch die Eigenschaften des Biegers weiter verschlechtert werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen doppelplatt enförmig aufgebauten Bieger zu schaffen, dessen Mittellamelle mit Hilfe eines nicht leitenden Epoxydharzes an die beiden Keramik- oder piezoelektrischen Scheiben geklebt werden kann. Ausserdem soll es der konstruktive Aufbau der Mittellamelle ermöglichen, dass sich die Scheiben ausdehnen und verkürzen, ohne dass sich dabei eine Vorspannung in den Scheiben aufbaut. Schliesslich soll durch die spezielle Ausbildung der Mittellamelle ein Epoxydharz zum Verkleben benutzt werden können, das sehr leicht ist.

- 2 - Ausgehend

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Ausgehend von dem eingangs erwähnten doppelplattenformigen Bieger wird diese Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Mittellamelle aus einem federnden und elektrisch leitenden Teil mit Erhebungen auf beiden Seiten besteht, dass die Mittellamelle derart zwischen den beiden Scheiben angeordnet ist, dass zumindest eine Erhebung mit der angrenzenden Elektrode in elektrischer Kontaktverbindung steht, und dass nur die Erhebungen mit einem Klebemittel an den Elektroden befestigt sind.

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei einem nach den Merkmalen der Erfindung aufgebauten doppelplattenformigen Bieger liegen die aus einem Keramikmaterial oder einem piezoelektrischen Material bestehenden Scheiben nur punkt- oder linienförmig auf der gewellten und federnden Mittellamelle auf. Dadurch wird einerseits die freie Beweglichkeit der Scheiben weniger beeinträchtigt als bei dem bekannten doppelplattenformigen Bieger, und andererseits wird bereits durch die mechanische Kontaktgabe zwischen der elektrisch leitenden Mittellamelle und den angrenzenden Elektroden der beiden Scheiben die elektrisch leitende Verbindung zwischen den beiden Scheiben hergestellt, ohne dass hierfür ein elektrischer Kleber erforderlich ist. Für das Verkleben der Mittellamelle mit den Elektroden der beiden angrenzenden Scheiben wird nur eine geringe Menge von dem als Klebemittel verwendeten Epoxydharz verwendet, das seinerseits weder leitend noch frei von Lufteinschlüssen sein muss.

Bei einer nach einer bevorzugten Ausführungsform aufgebauten Mittellamelle mit zwei unter einem Winkel zueinander verlaufenden Wellenstrukturen wird in vorteilhafter Weise eine Versteifung der Randbereiche des doppelplattenformigen Aufbaus erreicht, ohne dass dabei die seitliche Verschiebbarkeit der

- *> - . beiden

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"beiden Keramik- oder Piezo scheiben im Zentrumsbereich beeinträchtigt wird. Vorzugsweise verläuft die Wellenstruktur des Zentrumsbereiches rechtwinklig zu der des Aussenbereiches»

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines aus Doppelplatten aufgebauten Biegers in der Form einer Kreisscheibe;

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Bieger mit einem bekannten konstruktiven Aufbau;

Fig. 3 eine auseinandergezogene Ansicht,aus der die konstruktive Ausführung einer Mittellamelle eines doppelplattenformigen Biegers gemäss der Erfindung erkennbar ist;

Figo 4- einen Schnitt durch den doppelplattenformigen Bieger gemäss Fig. 3;

Fig. 5 eine auseinandergezogene Ansicht eines aus Doppelplatten aufgebauten Biegers in Form einer Rechteckscheibe.

In Fig. 1 ist ein aus Doppelplatten aufgebauter Bieger 10 erkennbar, der aus zwei Keramikscheiben 12 und 13 und einer diese trennenden Hittellamelle 16 besteht. Auf der Oberseite der Keramikscheibe 13 ist eine Elektrode 15 erkennbar. Weitere Elektroden sind auf der Unterseite der Keramikscheibe 13 sowie auf der Ober- und Unterseite der Keramikscheibe 12 angeordnet.

In Fig. 2 ist der konstruktive Aufbau eines bekannten doppelplattenformigen Biegers im Querschnitt dargestellt. Dieser Bieger umfasst eine erste Keramikscheibe 20 mit Elektroden 23

- H- - und 009824/1317

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und 24 auf den gegenüberliegenden Flächen sowie eine zweite Kerämikscheibe 21 mit entsprechend auf gegenüberliegenden Flächen angeordneten Elektroden 26 und 27. Die Elektroden 23, 24, 26 und 27 sind extrem dünn und sind bezüglich der Dickenabmessung des doppelplattenformigen Biegers vernachlässigbar. Diese Elektroden sind in der Zeichnung im Interesse einer klareren Darstellung unverhältnismässig dick gezeichnet.

Die Keramikscheiben 20 und 21 sind durch eine metallische Mittellamelle 29 voneinander getrennt. Diese Mittellamelle 29 ist mit den Keramikscheiben .20 und 21 mittels einer Schicht aus einem leitenden Epoxydharz 30 bzw. 31 verklebt. Das Epoxydharz wird durch das Beimischen von leitendem Material hergestellt, wodurch es wesentlich schwerer und die Haltefähigkeit wesentlich beeinträchtigt wird.

Beim strukturellen Aufbau eines aus Doppelplatten aufgebauten Kristallbiegers ist es wünschenswert, dass der Zentrumsbereich der Mittellamelle eine seitliche Bewegung der Keramikscheiben relativ zulässt, während die Kanten festgehalten werden und damit eine seitliche Verschiebung an die Kanten verhindert wird. Bei dem in Figo 2 dargestellten Aufbau bilden die Mittellamelle und die Keramikscheiben durch die Epoxydharzverbindung einen einheitlichen Körper, der die vorausstehend gewünschten Eigenschaften nicht aufweist. Das leitfähig gemachte Epoxydharz besitzt eine geringere Belastbarkeit als das nicht leitfähige, normalerweise für Klebzwecke verwendete Epoxydharz, so dass die Verbindung bei hohen Spannungsverhältnissen brechen kann. Das leitend gemachte Epoxydharz enthält Metallteilchen und ist daher schwerer, so dass sich viskoelastische Verluste einstellen, die in Form eines geringeren Kopplungsfaktors oder eines kleineren Ausgangssignals in Erscheinung ti^eten. Während der Herstellung der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform eines doppelplattenformigen Biegers muss das Epoxydharz gleichmässig über die Keramikscheiben und die Mittel-

- 5 - lamelle

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lamelle verteilt werden, "bevor diese zusammengefügt werden. Bei diesem Zusammenfügen ist es sehr schwierig, Luftblasen innerhalb des Epoxydharzes zu vermeiden, die sich jedenfalls ungünstig auswirken und die Belastbarkeit der Klebeverbindung verringern. Die massive Mittellamelle bei der Ausführungsform gemäss Figo 2 begrenzt die Ausdehnung und Kürzung der Keramikscheiben, wodurch bereits durch Temperaturänderungen Vorspannungen eingeführt werden.

Um die unerwünschten Eigenschaften einer massiven Mittellamelle gemäss Fig. 2 zu verringern oder zu eliminieren, kann diese Mittellamelle gemäss der Erfindung in der in Fig. 3 dargestellten Weise ausgebildet sein. Der in Fig. 3 dargestellte konstruktive Aufbau des doppelplattenförmigen Biegers umfasst eine Keramikscheibe 34- mit Elektroden 37 auf beiden Seiten sowie eine Keramikscheibe 35» die ebenfalls auf beiden Oberflächen mit Elektroden 36 versehen ist. Die jeweils auf der Rückseite der Keramikscheiben angebrachten Elektroden sind in Fig. 3 nicht erkennbar» Die Mittellamelle 40 ist zum Trennen der Keramikscheiben vorgesehen und besteht aus einem gewellten Zentrumsbereich 42 und einem gewellten Aussenbereich 44=. Der Zentrumsbereich 42 kann kreisförmig oder spiralenförmig gewellt sein, wobei diese gewellte Ausbildung im wesentlichen konzentrisch zum Zentrum der Mittellamelle liegt. Der Aussenbereich 44 der Mittellamelle 40 ist senkrecht dazu gewellt, so dass gleiche Amplitudenpunkte des wellenförmigen Streifens jeweils auf einer im wesentlichen radial verlaufenden Linie liegen.

Die Ausführungsform des Biegers gemäss Fig. 3 ist in Fig. 4 im Schnittbild dargestellt. In beiden Figuren sind gleiche > Teile mit gleichen Bezugs zeichen versehen,, Die Keramikscheibe 34 besitzt die Elektroden 37 und 46 und ist von der Keramikscheibe 35 mit den Elektroden 36 und 47 durch die Mittellamelle 40 getrennt., Die koaxiale wellenförmige Ausbildung des Zentrums-

- 6 - bereiches

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bereiches 42 und die radiale wellenförmige Ausbildung des Ausseribereich.es 44 sind aus dem Schnittbild erkennbar.

Der gewellte Zentrumsbereich besitzt eine Vielzahl von Scheitelpunkten 49, die mechanisch und elektrisch in Kontaktberührung mit den Elektroden 36 und 46 stehen. Auf diese Weise wird durch die metallene Mittellamelle 40 eine elektrische Verbindung zwischen den Elektroden hergestellt. Die Scheitelpunkte 50 des äusseren gewellten Bereiches 44 stehen ebenfalls mechanisch und elektrisch mit den Elektroden 36 und 46 in Verbindung. Da die Scheitelpunkte 49 und 50 Jeweils an den Elektroden 36 und 46 anliegen, werden durch die Mittellamelle 40 die Keramikscheiben 34 und 35 in einem genauen Abstand zueinander gehalten. Im Gegensatz dazu wird der Abstand der Keramikscheiben 20 und 21 .nach der Ausführungsform gemäss Fig. 2 durch die Dicke der Zentrumsscheibe 29 sowie die Dicke der Epoxydharzschichten 30 und 31 bestimmt. Da die Dicke dieser Epoxydharzschichten während der Herstellung stark variieren kann, verändert sich entsprechend auch der Abstand der Keramikscheiben 20 und 21.

Die Scheitelpunkte 49 und 50 werden mit den Elektroden 46 und 36 und somit mit den Keramikscheiben 34 und 35 niit Hilfe eines nicht leitenden Epoxydharzes verbunden. Diese Klebeverbindung ist in Fig. 4 mit dem Bezugszeichen 52 angedeutet und kann mit einem nicht leitenden Epoxydharz ausgeführt werden, da die elektrische Kontaktverbindung durch das Anliegen der Scheitelpunkte an den»entsprechenden Elektroden bereits vorhanden ist. Da ausserdem das Epoxydharz nur im Bereich der Scheitelpunkte, in welchem diese mit den Elektroden in Berührung stehen, benötigt wird, spielt es auch keine Rolle, wenn im Epoxydharz Lufteinschlüsse vorhanden sind. Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform des doppelplattenformigen Biegers besteht sehr viel weniger die Wahrscheinlichkeit, dass zu wenig oder zu viel Epoxydharz innerhalb der konstruktiven Anordnung vor-

- 7 - handen

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handen ist, so dass auch kaum noch, die Gefahr einer Verringerung des Koppelfaktors und der Verursachung von durch den mechanischen Aufbau bedingten Verlusten gegeben ist.

Die wellenförmige Ausführung des Zentrumsbereiches 42 wirkt wie ein steifes Gelenk und lässt eine Bewegung der Keramikscheiben 34 und 35 relativ zueinander zu„ Die entsprechende wellenförmige Ausbildung des Aussenbereiches 44 hält dagegen die Kanten der Keramikscheiben 34 und 35 fest zusammen, so dass sie sich in diesem Bereich nicht gegeneinander verschieben können. Dieser konstruktive Aufbau des Zentrumsbereichs der Mittellamelle eines doppelplattenförmigenjBiegers führt zu einer erheblichen Verringerung der Verluste und zu einer wesentlichen Verbesserung des Koppelfaktors.

In Fig. 5 ist eine Ausführungsform eines doppelplattenformigen Biegers dargestellt, bei dem die Mittellamelle rechteckig ausgebildet ist. Ein entsprechender Schnitt durch die Ausführungsform gemäss Fig. 5 würde sich ebenfalls in der in Fig. 4 dargestellten Form wiedergeben. Die Keramikscheibe 54 gemäss Fig. 5 besitzt eine Elektrode 56 auf der einen Seite und eine weitere Elektrode auf der nicht sichtbaren anderen Seite. Sie wird durch eine Mittellamelle 59 in. einem bestimmten Abstand von der anderen Keramikscheibe 55 gehalten, die ebenfalls mit einer Elektrode 57 auf der sichtbaren Seite und einer weiteren, nicht erkennbaren Elektrode auf der gegenüberliegenden Seite versehen ist. Die Mittellamelle 59 umfasst einen gewellten Zentrumsbereich 61 und einen gewellten Aussenbereich 62. Der Wellenverlauf des Aussenbereiches 62 steht unter einem senkrechten Winkel zu dem entsprechenden Wellenverlauf des Zentrumsbereiches 61 und gewährleistet damit eine ausreichende Steifigkeit im Aussenbereich, während die Keramikscheiben im Zentrumsbereich in der für den doppelplattenformigen Bieger erforderlichen Weise verschiebbar sind. Die Scheitelpunkte der gewellten Bereiche sind mit den Keramikscheiben 54 und 55

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Hilfe eines nicht leitenden Epoxydharzes in der in Fig. 4 darges.tellten Weise verbunden _o

In der vorausstehenden Darstellung wurde ein doppelplattenförmiger Bieger beschrieben, dessen Mittellamelle aus einem gewellten Zentrumsbereich und einem gewellten Aussenbereich besteht. Dabei verläuft die Wellenstruktur des Aussenbereiches unter einem bestimmten Winkel zu der Wellenstruktur des Zentrumsbereiches. Die Scheitelpunkte der Wellenstruktur stehen in direkter Kontaktverbindung mit den Elektroden auf den Keramikscheiben, so dass die' elektrische Verbindung der Keramikscheiben in der erforderlichen Weise vorhanden ist. Diese ■ Scheitelpunkte sind jeweils mit einem nicht leitenden Epoxydharz mit den entsprechenden Elektroden der Keramikscheiben verbunden, wobei das Epoxydharz nicht leitend sein muss, da die elektrische Verbindung durch die Kontaktgabe erzielt wird. Durch diesen konstruktiven Aufbau lässt sich in vorteilhafter Weise eine Verringerung der mechanischen Verluste erzielen und gleichzeitig der Koppelfaktor erheblich verbessern. Insbesondere bietet der beschriebene konstruktive Aufbau mit zwei durch eine Mittellamelle voneinander getrennten Keramikscheiben den Vorteil einer sehr viel leichteren Herstellung.

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Claims

DIPL-ING. LEO FLEUCHAUS

8 MDNCHEN 71,4. FOV. 1969 MelchloratraB· 42

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Patentansprüche

Doppelplattenformiger Bieger mit zwei durch eine Mittellamelle verbundenen Scheiben aus einem Keramikmaterial oder einem piezoelektrischen Material, wobei die Scheiben beiderseits mit Elektroden versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittellamelle (16, 40, 59) aus einem federnden und elektrisch leitenden Teil mit Erhebungen (4-9) auf beiden Seiten besteht, dass die Mittellamelle derart zwischen den beiden Scheiben (12, 34, 54 bzw. 13, 35, 55) angeordnet ist, dass zumindest eine Erhebung mit der angrenzenden Elektrode in elektrischer Kontaktverbindung steht, und dass nur die Erhebungen mit einem Klebemittel (52) an den Elektroden befestigt sind.
2. Doppelplattenformiger Bieger nach Anspruch 1, dadurch gekennzei chnet, dass das Klebemittel aus einem nicht leitenden Material besteht.
3· Doppelplattenformiger Bieger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende^ Mittellamelle wellenförmig ausgebildet ist, wobei im Verlauf der Wellenstruktur aufeinander folgende Scheitelpunkte der gegenüberliegenden Seiten die Erhebungen darstellen, und dass diese Scheitelpunkte in elektrischer

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Kontaktberührung mit den angrenzenden Elektroden stehen, an welche sie mechanisch angeklebt sind.
4-· Doppelplattenformiger Bieger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Mittellamelle und die damit verbundenen Scheiben als Kreisscheiben ausgebildet sind, und dass .die Mittellamelle in Form einer Spirale gewellt ist.
5. Doppelplattenformiger Bieger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Mittellamelle und die damit verbundenen Scheiben als Kreisscheiben ausgebildet sind, und dass die Mittellamelle eine konzentrisch verlaufende Wellenstruktur aufweist„
6. Doppelplattenformiger Bieger nach Anspruch 3» dadurch gekennz eichnet, dass die durch die elektrisch leitende Mittellamelle miteinander verbundenen Scheiben als Rechteckscheiben ausgebildet sind, und dass die ebenfalls rechteckige Mittellamelle eine parallel verlaufende Wellenstruktur aufweist.
7. Doppelplattenformiger Bieger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitende Mittellamelle einen gewellten Zentrumsbereich und einen gewellten Aussenbereich aufweist, wobei die im Wellenverlauf aufeinander folgenden Scheitelpunkte jeweils mit den angrenzenden Elektroden der beiden aus einem Keramikmaterial oder einem piezoelektrischen Material bestehenden Scheiben in elektrischer Kontaktverbindung stehen, dass die Mittellamelle derart mit den beiden Keramik- oder Piezoscheiben verbunden ist, dass diese parallel zueinander liegen und eine Bewegung der Scheiben relativ zueinander im Mittelbereich zulassen, und dass die Randbereiche der Mittellamelle derart mechanisch steif mit den beiden

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Keramik- oder Piezoscheiben verbunden ist, dass eine Verschiebung der Randbereiche der Scheiben im wesentlichen verhindert wird.
8. Doppelplattenformiger Bieger nach Anspruch 7» dadurch

gekennz eichnet, dass der Verlauf der Wellenstruktur des Aussenbereiehes unter einem Winkel zum Verlauf der Wellenstruktur des Zentrumsbereiches derart angeordnet ist, dass der Aussenbereich in der Richtung der relativen Verschiebung der beiden Scheiben zueinander
mechanisch steif ist.

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