DE19614369C2 - Piezoelectric vibrator unit - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine piezoelek trische Vibratoreinheit und insbesondere auf eine Vibrator einheit, die als ein Beschleunigungssensor verwendet wird.The present invention relates to a piezoelectric trical vibrator unit and in particular on a vibrator unit that is used as an acceleration sensor.
Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer herkömmlichen piezoelektri schen Vibratoreinheit, wobei die piezoelektrische Vibrator einheit 1 einen plattenartigen Vibrator 2 aufweist, der pie zoelektrische Elemente 3a und 3b aufweist, die jeweils auf der oberen und der unteren Oberfläche desselben angebracht sind. Jedes der piezoelektrischen Elemente 3a und 3b weist eine piezoelektrische Schicht auf, die jeweils sowohl auf der oberen als auch der unteren Oberfläche derselben mit Elektroden versehen ist. Die Elektroden, die auf einer Ober fläche der piezoelektrischen Schicht vorgesehen sind, sind an beide Hauptoberflächen des Vibrators 2 geklebt. Ferner ist jedes der piezoelektrischen Elemente 3a und 3b in der Breitenrichtung desselben, die sich von außerhalb des Vi brators 2 zu dem Vibrator 2 hin erstreckt, polarisiert. Ferner sind die piezoelektrischen Elemente 3a und 3b mit Anschlußleitungsdrähten 4a bzw. 4b verbunden. Die Anschluß leitungsdrähte 4a und 4b sind verwendet, um die piezoelek trischen Elemente 3a und 3b mit äußeren Schaltungen, bei spielsweise einer Oszillationsschaltung, die als eine Trei bereinrichtung wirkt, und einer Differenzialverstärkungs schaltung, die als eine Erfassungseinrichtung wirkt, zu ver binden. Fig. 6 shows an example of a conventional piezoelectric vibrator's unit, the piezoelectric vibrator unit 1 having a plate-like vibrator 2 , the pie zoelectric elements 3 a and 3 b, which are attached to the upper and lower surfaces thereof. Each of the piezoelectric elements 3 a and 3 b has a piezoelectric layer of which is provided with electrodes respectively on both upper and lower surface. The electrodes, which are provided on an upper surface of the piezoelectric layer, are glued to both main surfaces of the vibrator 2 . Further, each of the piezoelectric elements 3 a and 3 b in the width direction thereof, extending from outside the Vi brators 2 to the vibrator 2 out polarized. Furthermore, the piezoelectric elements 3 a and 3 b are connected to lead wires 4 a and 4 b, respectively. The lead wires 4 a and 4 b are used to the piezoelectric elements 3 a and 3 b with external circuits, for example, an oscillation circuit that acts as a driver device and a differential amplification circuit that acts as a detector tie.
An einem longitudinalen Seitenende des Vibrators 2 ist ein Paar von Trägerbaugliedern 5 vorgesehen, von denen jedes ei nen im wesentlichen L-förmigen Querschnitt aufweist. Diese Trägerbauglieder 5 erstrecken sich von einem Abschnitt in der Nähe eines Endes des Vibrators 2 in der Breitenrichtung des Vibrators 2, und sind einstückig mit dem Vibrator 2. Die piezoelektrische Vibratoreinheit 1 ist auf eine eingespannte Art und Weise durch diese Trägerbauglieder 5 gehalten.At a longitudinal side end of the vibrator 2 , a pair of support members 5 are provided, each of which has a substantially L-shaped cross section. These support members 5 extend from a portion near one end of the vibrator 2 in the width direction of the vibrator 2 , and are integral with the vibrator 2 . The piezoelectric vibrator unit 1 is held in a clamped manner by these support members 5 .
Eine derartige, herkömmliche, piezoelektrische Vibratorein heit 1 wird beispielsweise als ein Beschleunigungssensor verwendet, wobei in diesem Fall ein Seitenende des Vibrators 2 durch das Befestigen der Trägerbauglieder 5 an demselben gehalten ist. Wenn Treibersignale der gleichen Phase an die zwei piezoelektrischen Elemente 3a und 3b durch die An schlußleitungsdrähte 4a und 4b angelegt werden, schwingt dann der Vibrator 2 in der Longitudinalrichtung desselben, wobei, wenn in diesem Zustand eine Beschleunigungskraft auf die Oberfläche des Vibrators 2 in einer Vertikalrichtung zu demselben ausgeübt wird, sich der Vibrator 2 zusammen mit dem piezoelektrischen Elementen 3a und 3b proportional zu der Größe der Beschleunigungskraft, die ausgeübt wird, biegt, so daß von den piezoelektrischen Elementen 3a und 3b Spannungen erzeugt werden, die jeweils proportional zu dem Grad des Biegens derselben sind. Die Spannungen, die somit erzeugt werden, werden durch die Anschlußleitungsdrähte 4a und 4b beispielsweise in eine Differenzialverstärkungsschal tung eingegeben, so daß die Differenz zwischen den Spannun gen gemessen wird, um dadurch die Beschleunigungskraft zu erhalten, die auf die piezoelektrischen Elemente ausgeübt wird.Such a conventional, piezoelectric vibrator unit 1 is used, for example, as an acceleration sensor, in which case one side end of the vibrator 2 is held by attaching the support members 5 thereto. If drive signals of the same phase are applied to the two piezoelectric elements 3 a and 3 b through the connection lead wires 4 a and 4 b, the vibrator 2 then vibrates in the longitudinal direction thereof, and if in this state an acceleration force is applied to the surface of the vibrator 2 is applied in a vertical direction to the same, the vibrator 2 together with the piezoelectric elements 3 a and 3 b bends in proportion to the magnitude of the acceleration force that is exerted, so that voltages are generated by the piezoelectric elements 3 a and 3 b each proportional to the degree of bending thereof. The voltages thus generated, through the lead wires 4a and 4b, for example, in a differential gain scarf input processing, so that the difference is measured gen between the Spannun, to thereby obtain the accelerating force, which is exerted on the piezoelectric elements.
Die oben beschriebene, herkömmliche, piezoelektrische Vibra toreinheit benötigt jedoch eine relativ große Anzahl von Teilen, was eine erhöhte Anzahl von Arbeitsstunden zur Her stellung und zum Zusammenbau erfordert. Ferner ist für die Handhabung und die Verbindung der Anschlußleitungsdrähte zum elektrischen Verbinden des piezoelektrischen Vibrators und der zugehörigen äußeren Schaltung ein hoher Grad an fachli chem Können erforderlich.The conventional piezoelectric vibra described above gate unit, however, requires a relatively large number of Share what an increased number of hours to manufacture position and assembly required. Furthermore, for the Handling and connecting the lead wires to electrically connecting the piezoelectric vibrator and the associated external circuit a high degree of technical chem skill required.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine piezo elektrische Vibratoreinheit zu schaffen, die einen einfachen Aufbau aufweist und leicht herzustellen ist. It is the object of the present invention to use a piezo electric vibrator unit to create a simple Has structure and is easy to manufacture.
Diese Aufgabe wird durch eine piezoelektrische Vibratorein heit gemäß Anspruch 1 gelöst.This task is accomplished by a piezoelectric vibrator Unit solved according to claim 1.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß dieselbe eine piezoelektrische Vibratoreinheit schafft, die verglichen mit herkömmlichen, piezoelektrischen Vibratorein heiten aus einer kleineren Anzahl von Teilen zusammengesetzt ist.An advantage of the present invention is that it creates a piezoelectric vibrator unit which compared to conventional piezoelectric vibrators units composed of a smaller number of parts is.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht da rin, daß dieselbe eine piezoelektrische Vibratoreinheit schafft, die keine Anschlußleitungsdrähte erfordert, um elektrische Verbindungen mit äußeren Schaltungen einzurich ten.Another advantage of the present invention is there rin that same a piezoelectric vibrator unit creates that does not require lead wires to electrical connections with external circuits ten.
Die piezoelektrische Vibratoreinheit gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist folgen de Merkmale auf: eine piezoelektrische Platte, eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Schwingstreifen einer konstanten Elastizität, die jeweils an der oberen und unteren Oberflä che der piezoelektrischen Platte in einer in der Dickenrich tung der piezoelektrischen Platte gegenüberliegenden Bezie hung zueinander angebracht sind, und Trägerbauglieder, die integral mit den Schwingstreifen verbunden sind, um die pie zoelektrische Vibratoreinheit zu halten, um eine elektrische Verbindung zwischen der piezoelektrischen Vibratoreinheit und einer äußeren Schaltung, die eine Treibereinrichtung, um die Vibratoreinheit zu mechanischen Schwingungen anzuregen, und eine Erfassungseinrichtung umfaßt, einzurichten.The piezoelectric vibrator unit according to the preferred one Embodiment of the present invention has follow Features on: a piezoelectric plate, a plurality of electrically conductive oscillating strips of a constant Elasticity, respectively on the upper and lower surfaces surface of the piezoelectric plate in one in the thickness tion of the piezoelectric plate opposite relationship hung to each other, and support members that are integrally connected to the vibrating strips to make the pie zoelectric vibrator unit to hold an electrical Connection between the piezoelectric vibrator unit and an external circuit that includes a driver device to excite the vibrator unit to mechanical vibrations, and comprises a detection device.
Es ist bevorzugt, daß die Trägerbauglieder an den Knotenab schnitten der Schwingstreifen einstückig mit den Schwing streifen gebildet sind.It is preferred that the support members abut at the nodes cut the oscillation strip in one piece with the oscillation stripes are formed.
Es ist ferner bevorzugt, daß die piezoelektrische Platte in der Dickenrichtung derselben polarisiert ist, derart, daß die Longitudinalseiten derselben jeweils in entgegengesetzte Richtungen polarisiert sind. It is further preferred that the piezoelectric plate in the thickness direction thereof is polarized such that the longitudinal sides of the same each in opposite Directions are polarized.
Die piezoelektrische Vibratoreinheit gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung arbeitet der art, daß, wenn eine Spannung zwischen den leitfähigen Schwingstreifen angelegt ist, die piezoelektrische Platte vibriert. Als eine Folge der Vibration der Platte schwingen die Schwingstreifen, die eine konstante Elastizität aufwei sen, ebenfalls. Wenn in diesem Zustand eine Beschleunigungs kraft auf die Oberfläche der piezoelektrischen Vibratorein heit in einer vertikalen Richtung zu derselben ausgeübt wird, biegen sich die piezoelektrische Platte und die Schwingstreifen. Infolgedessen ändert sich die Resonanzcha rakteristik der piezoelektrischen Platte, wodurch eine Span nung zwischen den Schwingstreifen erzeugt wird. Es ist daher möglich, die Beschleunigungskraft, die auf die piezoelektri sche Vibratoreinheit ausgeübt wird, durch das Messen der Spannung zwischen den Schwingstreifen zu messen.The piezoelectric vibrator unit according to the preferred one Embodiment of the present invention works the art that when there is a voltage between the conductive Vibrating strip is created, the piezoelectric plate vibrates. As a result of the vibration of the plate vibrate the oscillating strips, which have a constant elasticity sen, too. If in this state an acceleration force on the surface of the piezoelectric vibrator unit exerted in a vertical direction to the same the piezoelectric plate and the Rocking strips. As a result, the resonance cha changes characteristic of the piezoelectric plate, which creates a span voltage between the oscillating strips is generated. It is therefore possible, the acceleration force acting on the piezoelectric cal vibrator unit is exercised by measuring the Measure tension between the vibrating strips.
Da die Trägerbauglieder zum Halten der piezoelektrischen Vibratoreinheit und zum Einrichten einer elektrischen Ver bindung der piezoelektrischen Vibratoreinheit mit einer zu gehörigen äußeren Schaltung einstückig mit den Schwingstrei fen verbunden sind, ist es ferner möglich, die piezoelektri sche Vibratoreinheit und die äußere Schaltung ohne die Ver wendung irgendwelcher Anschlußleitungsdrähte elektrisch zu verbinden. Da die Trägerbauglieder einstückig mit den Kno tenabschnitten der Schwingstreifen sind, ist es ferner mög lich, die piezoelektrische Vibratoreinheit und die Schwing streifen zu halten, ohne die Schwingung der Vibratoreinheit und der Schwingstreifen zu behindern. As the support members for holding the piezoelectric Vibrator unit and for setting up an electrical ver binding of the piezoelectric vibrator unit with a associated external circuit in one piece with the swinging streak fen are connected, it is also possible to use the piezoelectric cal vibrator unit and the outer circuit without the Ver use any lead wires electrically connect. Since the support members are integral with the kno ten sections of the oscillating strips, it is also possible Lich, the piezoelectric vibrator unit and the vibrator to keep streaking without the vibration of the vibrator unit and hinder the vibrating stripe.
Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine piezoelektrische Vibratorein heit zu erhalten, die eine kleine Anzahl von Teilen auf weist, um dadurch den Herstellungsprozeß zu vereinfachen. Ferner können die piezoelektrische Vibratoreinheit und eine zugehörige äußere Schaltung durch die elektrisch leitenden Trägerbauglieder elektrisch verbunden sein. Folglich ist es möglich, auf die Anschlußleitungsdrähte zu verzichten, die bei herkömmlichen Bauelementen erforderlich waren, so daß die Anzahl von Teilen verringert ist, die Struktur der Ein heit vereinfacht ist und die Kosten und Schwierigkeiten des Herstellungsprozesses reduziert sind.According to the preferred embodiment of the present Invention it is possible to use a piezoelectric vibrator to get a small number of parts points to thereby simplify the manufacturing process. Furthermore, the piezoelectric vibrator unit and a associated external circuit by the electrically conductive Carrier members to be electrically connected. Hence it is possible to do without the lead wires that were required with conventional components, so that the number of parts is reduced, the structure of the one is simplified and the costs and difficulties of Manufacturing process are reduced.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich nungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention are referred to below with reference to the attached drawing nations explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer piezoelektri schen Vibratoreinheit gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; Fig. 1 is a perspective view of a piezoelectric vibrator's rule according to a preferred embodiment of the present invention;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Modifikation der piezoelektrischen Vibratoreinheit, die in Fig. 1 gezeigt ist; FIG. 2 is a perspective view of a modification of the piezoelectric vibrator unit shown in FIG. 1;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Modi fikation der piezoelektrischen Vibratoreinheit, die in Fig. 1 gezeigt ist; Fig. 3 is a perspective view of a further modes fication of the piezoelectric vibrator unit, which is shown in Fig. 1;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer noch weiteren Modifikation der piezoelektrischen Vibratoreinheit, die in Fig. 1 gezeigt ist; Fig. 4 is a perspective view of still another modification of the piezoelectric vibrator unit shown in Fig. 1;
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Modifi kation der piezoelektrischen Vibratoreinheit, die in Fig. 1 gezeigt ist; und FIG. 5 is a perspective view of another modification of the piezoelectric vibrator unit shown in FIG. 1; and
Fig. 6 eine perspektivische Ansicht eines Beispiels einer herkömmlichen piezoelektrischen Vibratoreinheit. Fig. 6 is a perspective view of an example of a conventional piezoelectric vibrator unit.
Wie in Fig. 1, die eine perspektivische Ansicht einer piezo elektrischen Vibratoreinheit gemäß einem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist, weist eine piezoelektrische Vibratoreinheit 10 eine im wesentlichen rechteckige, piezoelektrische Platte 12 auf, die beispiels weise aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial herge stellt ist. Auf der oberen Oberfläche der piezoelektrischen Platte 12 ist eine blattartige Elektrode 14a gebildet, die die gesamte Fläche der oberen Oberfläche abdeckt, während auf der unteren Oberfläche derselben eine blattartige Elek trode 14b gebildet ist, die die gesamte Fläche der unteren Oberfläche abdeckt. Wie durch die gestrichelten Pfeile in Fig. 1 gezeigt ist, ist ein Ende der piezoelektrischen Plat te 12 in der Longitudinalrichtung derselben von der Elek trode 14b zu der Elektrode 14a hin polarisiert, während das andere entgegengesetzte Ende von der Elektrode 14a zu der Elektrode 14b hin polarisiert ist. Folglich ist die Polari sationsrichtung der piezoelektrischen Platte 12 im wesentli chen im Mittelabschnitt der Platte 12 in der Longitudinal richtung derselben umgekehrt.As in Fig. 1, which is a perspective view of a piezoelectric vibrator unit according to a preferred embodiment of the present invention, a piezoelectric vibrator unit 10 has a substantially rectangular piezoelectric plate 12 made of a piezoelectric ceramic material, for example. On the upper surface of the piezoelectric plate 12 , a sheet-like electrode 14 a is formed, which covers the entire area of the upper surface, while on the lower surface thereof a sheet-like electrode 14 b is formed, which covers the entire area of the lower surface. As shown by the dashed arrows in FIG. 1, one end of the piezoelectric Plat is te 12 in the longitudinal direction thereof trode from the Elek 14 b to the electrode 14 a toward polarized, while the other opposite end of the electrode 14 a to the Electrode 14 b is polarized. Consequently, the polarization direction of the piezoelectric plate 12 is reversed substantially in the central portion of the plate 12 in the longitudinal direction thereof.
Ferner weist die piezoelektrische Vibratoreinheit 10 ein Paar von blattartigen Schwingstreifen 16a und 16b auf. Der Schwingstreifen 16a ist über der gesamten exponierten Ober fläche der Elektrode 14a plaziert, um elektrisch und mecha nisch mit der Elektrode 14a verbunden zu sein. In gleicher Weise ist der Schwingstreifen 16b über der gesamten expo nierten Oberfläche der Elektrode 14b plaziert, um elektrisch und mechanisch mit der Elektrode 14b verbunden zu sein. Bei de Schwingstreifen 16a und 16b bestehen vorzugsweise aus einem Metall mit einer konstanten Elastizität und einer Leitfähigkeit, beispielsweise Nickel, Eisen, Chrom, Titan oder Legierungen derselben, beispielsweise Elinvar oder ei ner Eisen-Nickel-Legierung. Furthermore, the piezoelectric vibrator unit 10 has a pair of sheet-like vibrating strips 16 a and 16 b. The vibrating strip 16 a is placed over the entire exposed surface of the electrode 14 a to be electrically and mechanically connected to the electrode 14 a. In the same way, the vibrating strip 16 b is placed over the entire exposed surface of the electrode 14 b in order to be electrically and mechanically connected to the electrode 14 b. In the oscillating strips 16 a and 16 b preferably consist of a metal with a constant elasticity and conductivity, for example nickel, iron, chromium, titanium or alloys thereof, for example Elinvar or an iron-nickel alloy.
An einem Knotenabschnitt an einem Seitenende des Schwing streifens 16a in der Longitudinalrichtung desselben ist ein stückig ein Paar von länglichen stabförmigen Trägerbauglie dern 18a gebildet, die sich von dem Streifen 16a seitwärts in der Breitenrichtung des Streifens 16a erstrecken. Ferner ist an einem Knotenabschnitt auf dem anderen Seitenende des Streifens 16b in der Longitudinalrichtung desselben ein stückig ein Paar von länglichen stabförmigen Trägerbauglie dern 18b einstückig gebildet, die sich von dem Streifen 16b seitwärts erstrecken. Die Trägerbauglieder 18a und 18b be stehen vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Schwingstreifen 16a und 16b.At a node section on a side end of the vibrating strip 16 a in the longitudinal direction thereof, a piece of a pair of elongated rod-shaped Trägerbauglie is formed 18 a, which extend from the strip 16 a sideways in the width direction of the strip 16 a. Further, at a junction portion on the other side end of the strip 16b in the longitudinal direction thereof a 18 b lumpy a pair of elongate rod-shaped Trägerbauglie countries integrally formed, the b from the strip 16 extend sideways. The support members 18 a and 18 b be preferably made of the same material as the vibrating strips 16 a and 16 b.
Eines des Paars von Trägerbaugliedern 18a, 18a ist elek trisch mit einem Ende einer Oszillationsschaltung 20, die als eine Treibereinrichtung wirkt, verbunden, wobei das andere Ende der Oszillationsschaltung 20 elektrisch mit einem des Paars von Trägerbaugliedern 18b verbunden ist. In gleicher Weise ist das andere Trägerbauglied 18a elektrisch mit einem Ende einer Differenzialverstärkungsschaltung (nicht gezeigt), die als eine Erfassungseinrichtung wirkt, verbunden, ohne irgendwelche Anschlußleitungsdrähte zu ver wenden. Das andere Ende der Differenzialverstärkungsschal tung ist ohne Anschlußleitungsdrähte zu verwenden elektrisch mit dem anderen Trägerbauglied 18b verbunden. In anderen Worten heißt das, daß die Trägerbauglieder 18a und 18b bei spielsweise an einer Trägerplatte (nicht gezeigt) befestigt sind. In diesem Fall ist an den Abschnitten der Trägerplat te, an denen die Trägerbauglieder 18a und 18b jeweils befe stigt sind, eine Mehrzahl von Elektroden (nicht gezeigt) vorgesehen. Diese Elektroden und die Trägerbauglieder 18a und 18b sind mittels Lötens, Schweißens oder dergleichen miteinander verbunden. Folglich sind die Elektroden, die auf der Trägerplatte vorgesehen sind, mit äußeren Schaltungen, beispielsweise der oben genannten Ozillationsschaltung 20 und der Differenzialverstärkungsschaltung und dergleichen, verbunden. Folglich ist die piezoelektrische Vibratoreinheit durch die Trägerbauglieder 18a und 18b elektrisch mit den äußeren Schaltungen verbunden und zur gleichen Zeit durch die Trägerbauglieder 18a und 18b mechanisch gehalten.One of the pair of support members 18 a, 18 a is electrically connected to one end of an oscillation circuit 20 which acts as a driver, the other end of the oscillation circuit 20 being electrically connected to one of the pair of support members 18 b. In the same way, the other carrier member 18 a is electrically connected to one end of a differential amplification circuit (not shown), which acts as a detector, without using any lead wires. The other end of the differential gain scarf is electrically connected tung b without lead wires to be used with the other support member 18th In other words, this means that the support members 18 a and 18 b are attached to a support plate (not shown) for example. In this case, a plurality of electrodes (not shown) is provided on the portions of the carrier plate where the carrier members 18 a and 18 b are each attached. These electrodes and the carrier members 18 a and 18 b are connected to one another by means of soldering, welding or the like. Consequently, the electrodes provided on the support plate are connected to external circuits such as the above-mentioned oscillation circuit 20 and the differential amplification circuit and the like. Consequently, the piezoelectric vibrator unit through the supporting members 18 a and 18 b electrically connected to the external circuits connected and at the same time by the supporting members 18 a and 18 b mechanically held.
Als nächstes wird ein Fall, in dem die piezoelektrische Vi bratoreinheit 10 als ein Beschleunigungssensor verwendet ist, beschrieben.Next, a case in which the piezoelectric vibrator unit 10 is used as an acceleration sensor will be described.
Die piezoelektrische Vibratoreinheit 10 schwingt beim Anle gen eines Treibersignals an die Vibratoreinheit 10 in der Longitudinalrichtung derselben. Da die piezoelektrische Platte 12 im wesentlichen am Mittelabschnitt derselben in der Longitudinalrichtung in die umgekehrte Richtung polari siert wurde, zieht sich, wenn ein Seitenende der Platte 12 sich ausdehnt, das entgegengesetzte Seitenende zusammen und umgekehrt, wobei die Schwingungen in einer wechselweisen Form wiederholt werden. Folglich zeigt die piezoelektrische Vibratoreinheit 10 bezüglich der Länge derselben zu der Zeit ihrer ausdehnenden und zusammenziehenden Schwingopera tionen beinahe keine Änderung. Ferner sind die Trägerbau glieder 18a und 18b jeweils an den Knotenabschnitten der piezoelektrischen Vibratoreinheit 10 gebildet. Folglich zeigt die piezoelektrische Vibratoreinheit 10 nur einen kleinen Vibrationsverlust und schwingt auf eine stabilisier te Art und Weise.The piezoelectric vibrator unit 10 vibrates when applying a driving signal to the vibrator unit 10 in the longitudinal direction thereof. Since the piezoelectric plate 12 has been polarized substantially at the central portion thereof in the longitudinal direction in the reverse direction, when one side end of the plate 12 expands, the opposite side end contracts and vice versa, and the vibrations are repeated in an alternate form. As a result, the piezoelectric vibrator unit 10 shows almost no change in the length thereof at the time of its expanding and contracting swinging operations. Furthermore, the support members 18 a and 18 b are each formed at the node portions of the piezoelectric vibrator unit 10 . As a result, the piezoelectric vibrator unit 10 shows little vibration loss and vibrates in a stabilized manner.
Wenn auf die Oberfläche der piezoelektrischen Vibratorein heit 10 eine Beschleunigungskraft in einer Richtung vertikal zu dieser Oberfläche ausgeübt wird, während die Einheit 10 schwingt, biegen sich die piezoelektrische Platte 12 und die Schwingstreifen 16a und 16b, was bewirkt, daß sich die Re sonanzfrequenz der piezoelektrischen Platte 12 ändert, was die Erzeugung einer Spannung zwischen den Schwingstreifen 16a, 16b zur Folge hat. Durch das Erfassen der Spannung zwi schen den Schwingstreifen 16a, 16b unter Verwendung einer Erfassungseinrichtung ist es möglich, den Wert der Beschleu nigungskraft, die auf die piezoelektrische Vibratoreinheit 10 ausgeübt wird, zu erhalten. If on the surface of the piezoelectric Vibratorein unit 10, an accelerating force is applied in a direction vertical to this surface while the unit 10 is vibrating, the piezoelectric plate 12 and the vibrating strips 16 a and 16 b bend, causing the resonance frequency to change the piezoelectric plate 12 changes, which results in the generation of a voltage between the oscillating strips 16 a, 16 b. By detecting the voltage between the vibrating strips 16 a, 16 b using a detection device, it is possible to obtain the value of the acceleration force exerted on the piezoelectric vibrator unit 10 .
Gemäß diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist es möglich, eine piezoelektrische Vibratoreinheit zu erhalten, die ver glichen mit der herkömmlichen Einheit eine geringe Anzahl von Teilen aufweist, wodurch der Herstellungsprozeß dersel ben vereinfacht ist. Ferner kann die piezoelektrische Vibra toreinheit 10 gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch die leitfähigen Trägerbauglieder 18a und 18b elek trisch mit einer äußeren Schaltung verbunden sein. Daher sind, anders als bei der herkömmlichen piezoelektrischen Vi bratoreinheit, keine Anschlußleitungsdrähte erforderlich, was zu der Reduzierung der Teileanzahl, der Vereinfachung der Struktur und der Reduzierung der Kosten und der Schwie rigkeiten des Herstellungsprozesses beiträgt.According to this preferred embodiment, it is possible to obtain a piezoelectric vibrator unit which has a small number of parts compared with the conventional unit, thereby simplifying the manufacturing process thereof. Furthermore, the piezoelectric vibrator unit 10 according to the preferred embodiment can be electrically connected to an external circuit by the conductive support members 18 a and 18 b. Therefore, unlike the conventional piezoelectric vibrator unit, no lead wires are required, which contributes to the reduction in the number of parts, the simplification of the structure, and the reduction in cost and difficulty of the manufacturing process.
Die oben beschriebene, piezoelektrische Platte 12 kann ein Paar von blattartigen piezoelektrischen Platten aufweisen, die kombiniert sind, um ein unitäres Bauglied zu bilden. In diesem Fall kann, wenn die Richtung der Polarisation der piezoelektrischen Platte 12 an einem Seitenende in der Lon gitudinalrichtung derselben bezüglich der Richtung der Pola risation der Platte an dem anderen Ende derselben umgekehrt ist, die gleiche Wirkung wie bei dem oben beschriebenen, be vorzugten Ausführungsbeispiel erhalten werden.The above-described piezoelectric plate 12 may have a pair of sheet-like piezoelectric plates that are combined to form a unitary member. In this case, when the direction of polarization of the piezoelectric plate 12 at one side end in the longitudinal direction thereof is reversed with respect to the direction of polarization of the plate at the other end thereof, the same effect as the above-described preferred embodiment can be be preserved.
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Modifikation der piezoelektrischen Vibratoreinheit, die in Fig. 1 gezeigt ist. Die Trägerbauglieder 18a der piezoelektrischen Vibra toreinheit 10, die in Fig. 2 gezeigt ist, sind derart ge formt, daß sich dieselben seitwärts von einem Ende in der Longitudinalrichtung des Schwingstreifens 16a erstrecken. Ferner sind die Trägerbauglieder 18b der piezoelektrischen Vibratoreinheit 10, die in Fig. 2 gezeigt ist, derart gebil det, daß sich dieselben in entgegengesetzte Richtungen seit wärts von dem Schwingstreifen 16b erstrecken, an einer Posi tion in der Longitudinalrichtung, die von dem oben genannten einen Ende der Vibratoreinheit 10 um einen Abstand beabstan det ist, der etwa einem Viertel der gesamten Länge der Vi bratoreinheit 10 entspricht. Wenn die piezoelektrische Vi bratoreinheit 10 beispielsweise als ein Beschleunigungssen sor verwendet ist, wirkt dieselbe auf die gleiche Art und Weise wie das bevorzugte Ausführungsbeispiel in Fig. 1. Es ist bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel von Fig. 2 eben falls möglich, eine piezoelektrische Vibratoreinheit mit ei ner kleinen Anzahl von Teilen verglichen mit der herkömmli chen piezoelektrischen Vibratoreinheit zu erhalten. Es ist bei diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel ferner möglich, auf die Anschlußleitungsdrähte zu verzichten, die bei der herkömmlichen Vibratoreinheit erforderlich sind, so daß die Anzahl von Teilen verringert, die Struktur der Einheit ver einfacht ist und die Kosten und Schwierigkeiten des Herstel lungsverfahrens reduziert sind. FIG. 2 is a perspective view of a modification of the piezoelectric vibrator unit shown in FIG. 1. The carrier members 18 a of the piezoelectric Vibra gate unit 10 , which is shown in Fig. 2, are shaped such that they extend sideways from one end in the longitudinal direction of the oscillating strip 16 a. Further, the support members 18 b of the piezoelectric vibrator unit 10 shown in Fig. 2 are formed such that they extend in opposite directions from the vibrating strip 16 b at a position in the longitudinal direction from the above one end of the vibrator unit 10 is beabstan det by a distance which corresponds to approximately a quarter of the entire length of the vibrator unit 10 . For example, when the piezoelectric vibrator unit 10 is used as an acceleration sensor, it acts in the same manner as the preferred embodiment in Fig. 1. It is also possible in the preferred embodiment of Fig. 2 to have a piezoelectric vibrator unit with egg to obtain a small number of parts compared to the conventional piezoelectric vibrator unit. It is also possible in this preferred embodiment to dispense with the lead wires required in the conventional vibrator unit so that the number of parts is reduced, the structure of the unit is simplified, and the cost and difficulty of the manufacturing process are reduced.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Mo difikation der piezoelektrischen Vibratoreinheit, die in Fig. 1 gezeigt ist. Die Trägerbauglieder 18a und 18b der Einheit 10, die in Fig. 3 gezeigt ist, sind derart gebildet, daß sich dieselben seitwärts in entgegengesetzte Richtungen jeweils im wesentlichen von dem Mittelabschnitt derselben erstrecken. Wie durch den gestrichelten Pfeil in Fig. 3 ge zeigt ist, ist die piezoelektrische Platte von der Elektrode 14b zu der Elektrode 14a hin polarisiert. Wenn die piezo elektrische Vibratoreinheit 10, die in Fig. 3 gezeigt ist, beispielsweise als ein Beschleunigungssensor verwendet ist, dehnt sich die Einheit 10 in der Longitudinalrichtung der selben aus und zieht sich zusammen. Wenn in diesem Zustand eine Beschleunigungskraft auf die Oberfläche der Vibrator einheit 10 in der vertikalen Richtung dieser Oberfläche aus geübt wird, biegen sich die piezoelektrische Platte 12 und die Schwingstreifen 16a und 16b, woraufhin sich die Reso nanzcharakteristik der piezoelektrischen Platte 12 ändert, das bewirkt, daß eine Spannung zwischen den Schwingstreifen 16a und 16b erzeugt wird. Durch das Messen dieser Spannung mittels einer geeigneten Erfassungseinrichtung ist es daher möglich, die Beschleunigungskraft, die auf die piezoelektri sche Vibratoreinheit 10 ausgeübt wird, zu bestimmen. Gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 3 gezeigt ist, ist es ebenfalls möglich, die Anzahl von Teilen vergli chen mit der herkömmlichen piezoelektrischen Vibratoreinheit kleiner zu machen. Es ist ferner möglich, auf die Anschluß leitungsdrähte zu verzichten, die bisher erforderlich waren, so daß die Anzahl von Teilen verringert, die Struktur des Bauelements vereinfacht ist und die Kosten und die Schwie rigkeiten des Herstellungsprozesses reduziert sind. FIG. 3 is a perspective view of another modification of the piezoelectric vibrator unit shown in FIG. 1. The support members 18 a and 18 b of the unit 10 shown in Fig. 3 are formed such that they extend sideways in opposite directions each substantially from the central portion thereof. As shown by the dashed arrow in Fig. 3 ge, the piezoelectric plate is polarized from the electrode 14 b to the electrode 14 a. For example, when the piezoelectric vibrator unit 10 shown in FIG. 3 is used as an acceleration sensor, the unit 10 expands and contracts in the longitudinal direction thereof. In this state, an acceleration force on the surface of the vibrator unit is practiced in the vertical direction of this surface 10, the piezoelectric plate 12 and the vibrating strip 16 turn a and 16 b, whereupon the Reso nanzcharakteristik of the piezoelectric plate 12 changes, the causes a voltage between the oscillating strips 16 a and 16 b is generated. By measuring this voltage by means of a suitable detection device, it is therefore possible to determine the acceleration force which is exerted on the piezoelectric vibrator unit 10 . According to the preferred embodiment shown in Fig. 3, it is also possible to make the number of parts compared with the conventional piezoelectric vibrator unit smaller. It is also possible to dispense with the lead wires that have been required so far, so that the number of parts is reduced, the structure of the device is simplified, and the cost and difficulty of the manufacturing process are reduced.
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer noch weiteren Modifikation der piezoelektrischen Vibratoreinheit, die in Fig. 1 gezeigt ist. Anders als bei dem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel, das in Fig. 1 gezeigt ist, weist die piezo elektrische Vibratoreinheit 10 eine planare quadratische piezoelektrische Platte 12 auf. Auf der oberen Oberfläche der piezoelektrischen Platte 12 ist eine Elektrode 14a ge bildet, um die gesamte Fläche der oberen Oberfläche zu be decken, während auf der unteren Oberfläche derselben eine Elektrode 14b gebildet ist, um die gesamte Fläche dieser Oberfläche zu bedecken. Wie durch die gestrichelten Pfeile in Fig. 4 gezeigt ist, ist die piezoelektrische Platte 12 in einer Richtung, die sich von der Elektrode 14b zu der Elek trode 14a erstreckt, polarisiert. FIG. 4 is a perspective view of still another modification of the piezoelectric vibrator unit shown in FIG. 1. Unlike the preferred embodiment shown in FIG. 1, the piezoelectric vibrator unit 10 has a planar square piezoelectric plate 12 . On the upper surface of the piezoelectric plate 12 , an electrode 14 a is formed to cover the entire surface of the upper surface, while an electrode 14 b is formed on the lower surface thereof to cover the entire surface of this surface. As shown by the dashed arrows in Fig. 4, the piezoelectric plate 12 is polarized in a direction extending from the electrode 14 b to the electrode 14 a.
Ferner weist, anders als das Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 gezeigt ist, die piezoelektrische Vibratoreinheit 10 ebene, quadratische Schwingstreifen 16a und 16b auf. Der Schwingstreifen 16a ist auf der oberen Oberfläche der pie zoelektrischen Platte 12 gebildet, um die Elektrode 14a zu bedecken, wodurch elektrische und mechanische Verbindungen mit der Elektrode 14a eingerichtet werden.Furthermore, unlike the exemplary embodiment shown in FIG. 1, the piezoelectric vibrator unit 10 has flat, square oscillating strips 16 a and 16 b. The vibrating strip 16 a is formed on the upper surface of the pie zoelectric plate 12 to cover the electrode 14 a, whereby electrical and mechanical connections are established with the electrode 14 a.
Der Schwingstreifen 16a weist ein Paar von länglichen stab förmigen Trägerbaugliedern 18a auf, die einstückig mit dem Streifen sind, um von zwei gegenüberliegenden Seiten dessel ben nach außen vorzustehen. In gleicher Weise weist der Schwingstreifen 16b ein Paar von länglichen Trägerbauglie dern 18b auf, die einstückig mit dem Streifen sind, um von zwei anderen gegenüberliegenden Seiten desselben vorzuste hen. Folglich erstrecken sich die Trägerbauglieder 18a in Richtungen, die im wesentlichen vertikal zu den Er streckungsrichtungen der Trägerbauglieder 18b sind. Ferner ist auf der oberen Oberfläche des Schwingstreifens 16a ein Trägerbauglied 18c vorgesehen, das sich in einer vertikalen Richtung bezüglich dieser Oberfläche erstreckt. Das Träger bauglied 18c ist durch das Ausschneiden eines geeigneten Ab schnitts der oberen Oberfläche des Schwingstreifens 16a ge bildet, um im wesentlichen einen U-förmigen Abschnitt zu bilden, und das nachfolgende Anheben des ausgeschnittenen Abschnitts. Ähnlich den Trägerbaugliedern 18a und 18b ist das Trägerbauglied 18c verwendet, um eine elektrische Ver bindung zwischen der piezoelektrischen Vibratoreinheit 10 und der zugehörigen äußeren Schaltung einzurichten und die Vibratoreinheit 10 mechanisch zu tragen. Die piezoelektri sche Vibratoreinheit 10 in Fig. 4 ist beispielsweise als ei ne Vibratoreinheit verwendet, die in einem Ausbreitungs-Vi brationsmodus betrieben wird. Dieses bevorzugte Ausführungs beispiel weist ebenfalls eine kleinere Anzahl von Teilen als die herkömmliche piezoelektrische Vibratoreinheit auf. Fer ner kann auf die Anschlußleitungsdrähte verzichtet werden, wie sie bei der herkömmlichen Vibratoreinheit erforderlich sind, so daß die Anzahl von Teilen verringert, die Struktur der Einheit vereinfacht ist und die Kosten und Schwierigkei ten des Herstellungsprozesses reduziert sind.The vibrating strip 16 a has a pair of elongated rod-shaped support members 18 a, which are integral with the strip to the same from two opposite sides thereof to protrude outwards. In the same way, the oscillating strip 16 b has a pair of elongated support members 18 b which are integral with the strip in order to be provided from two other opposite sides thereof. Consequently, the support members 18 a extend in directions that are substantially vertical to the directions of extension of the support members 18 b. Furthermore, a support member 18 c is provided on the upper surface of the vibrating strip 16 a, which extends in a vertical direction with respect to this surface. The carrier member 18 c is formed by cutting a suitable section from the upper surface of the rocking strip 16 a ge to form a substantially U-shaped section, and the subsequent lifting of the cut section. Similar to the support members 18 a and 18 b, the support member 18 c is used to establish an electrical connection between the piezoelectric vibrator unit 10 and the associated external circuit and to mechanically support the vibrator unit 10 . The piezoelectric vibrator unit 10 in FIG. 4 is used, for example, as a vibrator unit which is operated in a propagation vibration mode. This preferred embodiment example also has a smaller number of parts than the conventional piezoelectric vibrator unit. Furthermore, the lead wires as required in the conventional vibrator unit can be omitted, so that the number of parts is reduced, the structure of the unit is simplified, and the cost and difficulty of the manufacturing process are reduced.
Wie durch die gestrichelten Linien in Fig. 4 gezeigt ist, kann ferner jedes der Trägerbauglieder 18b in eine vertikale Richtung bezüglich der oberen Oberfläche des Schwingstrei fens 16a nach oben gebogen sein, während jedes der Träger bauglieder 18b in eine vertikale Richtung bezüglich der un teren Oberfläche des Schwingstreifens 16b nach unten gebogen sein kann, wobei die Vibratoreinheit 10 in diesem Fall von der piezoelektrischen Platte und der zugehörigen äußeren Schaltung mechanisch getragen und mit derselben elektrisch verbunden sein kann. As shown by the broken lines in Fig. 4, each of the support members 18 b may be bent in a vertical direction with respect to the upper surface of the Schwingstrei fens 16 a upward, while each of the support members 18 b in a vertical direction with respect to un lower surface of the oscillating strip 16 b can be bent down, the vibrator unit 10 in this case being mechanically supported by the piezoelectric plate and the associated external circuit and electrically connected to the same.
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Modi fikation der piezoelektrischen Vibratoreinheit, die in Fig. 1 gezeigt ist. Die piezoelektrische Vibratoreinheit 10, die in Fig. 5 gezeigt ist, weist im Gegensatz zu dem bevorzugten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 gezeigt ist, eine ebene, kreisförmige, piezoelektrische Platte 12 auf. Auf der oberen Oberfläche der piezoelektrischen Platte 12 ist eine kreis förmige Elektrode 14a gebildet, um die gesamte Fläche der oberen Oberfläche zu bedecken, während auf der unteren Ober fläche der Platte 12 eine kreisförmige Elektrode 14b gebil det ist, um die gesamte Fläche dieser Oberfläche zu be decken. Die Platte 12 ist in eine Richtung, die sich von der Elektrode 14b zu der Elektrode 14a hin erstreckt, polari siert, wie durch den gestrichelten Pfeil in Fig. 5 darge stellt ist. FIG. 5 is a perspective view of another modification of the piezoelectric vibrator unit shown in FIG. 1. The piezoelectric vibrator unit 10 shown in FIG. 5, in contrast to the preferred embodiment shown in FIG. 1, has a flat, circular, piezoelectric plate 12 . On the upper surface of the piezoelectric plate 12 , a circular electrode 14 a is formed to cover the entire surface of the upper surface, while on the lower upper surface of the plate 12, a circular electrode 14 b is formed to cover the entire surface thereof Cover surface. The plate 12 is in a direction that extends from the electrode 14 b to the electrode 14 a, polarized, as is shown by the dashed arrow in Fig. 5 Darge.
Ferner weist im Gegensatz zu dem bevorzugten Ausführungsbei spiel, das in Fig. 1 gezeigt ist, die piezoelektrische Vi bratoreinheit 10 planare, kreisförmige Schwingstreifen 16a und 16b auf. Der Schwingstreifen 16a ist auf der oberen Oberfläche der piezoelektrischen Platte 12 gebildet, um die Elektrode 14a zu bedecken, um dadurch elektrische und mecha nische Verbindungen mit der Elektrode 14a einzurichten. In gleicher Weise ist der Schwingstreifen 16b auf der unteren Oberfläche der Platte 12 gebildet, um die Elektrode 14b zu bedecken, um dadurch elektrische und mechanische Verbindun gen mit der Elektrode 14b einzurichten.Furthermore, in contrast to the preferred exemplary embodiment shown in FIG. 1, the piezoelectric vibrator unit 10 has planar, circular oscillating strips 16 a and 16 b. The vibrating strip 16 a is formed on the upper surface of the piezoelectric plate 12 to cover the electrode 14 a, thereby establishing electrical and mechanical connections with the electrode 14 a. In the same way, the vibrating strip 16 b is formed on the lower surface of the plate 12 to cover the electrode 14 b, thereby establishing electrical and mechanical connections with the electrode 14 b.
Der Schwingstreifen 16a weist ein Paar von länglichen, stab förmigen Trägerbaugliedern 18a auf, die einstückig mit dem Streifen sind, um radial und nach außen in entgegengesetzte Richtungen von dem Streifen vorzustehen. Ferner weist der Schwingstreifen 16b ein Paar von Trägerbaugliedern 18b auf, die einstückig mit dem Streifen sind, um radial und nach außen in entgegengesetzte Richtungen von dem Streifen vorzu stehen. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel, das in Fig. 5 gezeigt ist, arbeitet auf die gleiche Art und Weise wie das bevorzugte Ausführungsbeispiel, das in Fig. 3 gezeigt ist. The vibrating strip 16 a has a pair of elongated, rod-shaped support members 18 a, which are integral with the strip to project radially and outwards in opposite directions from the strip. Further, the resonant strip 16 b, a pair of support members 18 b, which are integral with the strip, are vorzu to radially and outwardly in opposite directions from the strip. The preferred embodiment shown in FIG. 5 operates in the same manner as the preferred embodiment shown in FIG. 3.
Ferner weist dieses bevorzugte Ausführungsbeispiel ebenfalls eine kleinere Anzahl von Teilen als die herkömmliche piezo elektrische Vibratoreinheit auf, wobei die Anschlußleitungs drähte beseitigt sind, die üblicherweise erforderlich waren, so daß die Anzahl von Teilen verringert ist, die Struktur der Einheit vereinfacht ist und die Kosten und Schwierigkei ten des Herstellungsprozesses reduziert sind.Furthermore, this preferred embodiment also has a smaller number of parts than the conventional piezo electric vibrator unit, the connecting line wires that were usually required so that the number of parts is reduced, the structure the unit is simplified and the cost and difficulty of the manufacturing process are reduced.
Claims (13)
einer piezoelektrischen Platte (12);
einer Mehrzahl von Elektroden (14a, 14b), die auf einer jeweiligen oberen und unteren Oberfläche der piezoelek trischen Platte (12) gebildet sind;
einer Mehrzahl elektrisch leitender Schwingstreifen (16a, 16b), die jeweils eine konstante Elastizität auf weisen und sich über einer jeweiligen der Elektroden (14a, 14b) der piezoelektrischen Platte (12) er strecken; und
einer Mehrzahl von Trägerbaugliedern (18a, 18b; 18c) zum Tragen der piezoelektrischen Vibratoreinheit (10) und zum elektrischen Verbinden der piezoelektrischen Vibratoreinheit (10) mit externen elektronischen Kompo nenten, die eine Treibereinrichtung, um die Vibrator einheit zu mechanischen Schwingungen anzuregen, und ei ne Erfassungseinrichtung umfassen, wobei jedes der Trä gerbauglieder (18a, 18b; 18c) einstückig mit jeweils einem der Schwingstreifen (16a, 16b) ist.1. Piezoelectric vibrator unit ( 10 ), in particular Be acceleration sensor, with the following features:
a piezoelectric plate ( 12 );
a plurality of electrodes ( 14 a, 14 b) which are formed on a respective upper and lower surface of the piezoelectric plate ( 12 );
a plurality of electrically conductive oscillating strips ( 16 a, 16 b), each having a constant elasticity and extending over a respective one of the electrodes ( 14 a, 14 b) of the piezoelectric plate ( 12 ); and
a plurality of carrier members ( 18 a, 18 b; 18 c) for supporting the piezoelectric vibrator unit ( 10 ) and for electrically connecting the piezoelectric vibrator unit ( 10 ) with external electronic components, which are a driver device to excite the vibrator unit to mechanical vibrations , and ei ne detection device, wherein each of the support members ( 18 a, 18 b; 18 c) is in one piece with each of the oscillating strips ( 16 a, 16 b).
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