DE2738877A1 - Piezoelektrischer kleinstschwinger - Google Patents
Piezoelektrischer kleinstschwingerInfo
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Description
tall 176
Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Kleinstschwinger
mit einem ebenen Resonator und zwei parallel zur Ebene des Resonators angeordneten Aufhängungen, wobei ein Ende jeder Aufhängung geeignet
ist, an einem starren Träger befestigt zu werden, und der Resonator
auf zwei seiner Flächen mit Elektroden zur Schwingungserregung versehen ist,
welche Elektroden den Aufhängungen zugeordnete Anschlussuerlängerungen aufweisen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Schwinger sehr geringer Abmessungen vorzusehen,
dar insbesondere in einer elektronischen Uhr verwendet werden kann,
4
einen Gütefaktor grosser 10 aufweist und sich gut für Grosserienfabrikdtion eignet.
einen Gütefaktor grosser 10 aufweist und sich gut für Grosserienfabrikdtion eignet.
Es ist bereits ein Schwinger bekannt, der einen Teil dieser Bedingungen erfüllt
und ein rechteckiges Plättchen aufweist, das derart aus einem piezoelektrischen
Material geschnitten ist, dass seine Hauptflächen senkrecht zur elektrischen Achse X des Materials verlaufen; die Hauptflächen sind mit einer
dünnen Metallschicht bedeckt, um Erregerelektroden zu bilden; das Plättchen
ist mit Hilfe von zwei metallischen Bolzen (Stifte aus Beryllium-Bronze), welche in der Mitte der Elektroden senkrecht zu den Hauptflächen engelötet
sind, mit einem Träger verbunden; diese Bolzen gestatten gleichzeitig, eine
wechselspannung an die Elektroden anzulegen, weiche ein elektrisches Feld
parallel zur Achse X erzeugt, das eine Longitudinalschwingung bewirkt.
Diese Konstruktion, die einfach und robust ist, erlaubt keine hinreichende
Miniaturisierung bei gleichzeitig hohem Gütefaktor, weil die Lötstelle zu gross wird im Verhältnis zur Grosse des Plättchen«, was eine Schwingungsdämpfung
bewirkt. Weiter eignet sich das Anlöten der Bolzen senkrecht auf die
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Elektroden schlecht für eine automatisierte Herstellung und das Vorhandensein
von Bolzen senkrecht zur Eben· des Plättchen· verhindert eine Verringerung
der Dicke des Schwingers.
Es ist euch ein piezoelektrischer Kleinstschwinger bekennt mit einem rechteckigen
Plättchen, das mit mindestens einem Paar von Armen in der Ebene dee
Plättchens aufgehängt ist} die Arme sind aus demselben Material geschnitten wie das Plättchen und haben die Form von geradlinigen Teilen senkrecht zu den
Seitenflächen des Plättchen·. Eine an auf einer der Hauptflächen (oder auf . beide) aufgebrachte Elektroden angelegte Wechselspannung bewirkt eine Biegeschwingung.
Die Arme sind an Schwingungeknoten mit dem Plättchen verbunden.
Dieser Schwinger von geringen Abmessungen eignet sich für die Grosserienfertigung,
weist eqer einen ungenügenden Gütefaktor für eine Verwendung in Uhren auf. Man kann tatsächlich feststellen, dass die Arme einer Torsioneverformung
unterworfen sind, hervorgerufen durch die Biegeschwingung des an seinen Enden befestigten Plättchen·. Unter diesen Bedingungen haben die
Arme und deren atarre Befestigung auf einer Auflage einen direkten und bedeutsamen
Einfluss auf den Gütefaktor des Schwingers.
Ee ist nun sin Zweck der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden. Es wird daher
ein Kleinstschwinger vorgesehen, der sich dadurch auszeichnet, dass der Resonator derart au· einem piezoelektrischen Material geschnitten ist, das·
er in einer Schwingung schwingt, die aus der Ueberlagerung eines Hauptmodus
einer Longitudinalschwingung, eines ersten gekoppelten Modus einer Scherungsschwingung
und eines zweiten gekoppelten Modus einer Longitudinalschwingung resultiert, wobei der Resonator praktisch im Schnitt einer Knotenebene der
Schwingung, welche aus der Ueberlagerung des Hauptmodue.und de· ersten gekoppelten
Modus resultiert, mit den Seitenflächen des Resonators mit den genannten
Armen verbunden ist, so dass die genannten Arme nur durch die zweite
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gekoppelte Schwingung in Schwinung versetzt werden, und dass die Befestigung
der Arne auf den etarren Träger an einen Knoten der Schwingung der Arne angeordnet ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert.
In der Zeichnung zeigen!
Die Fig. 1 bis 4 verschiedene Verforrungemodi eines Plättchens, das den
aktiven Teil des Schwingers bildet) und
Fig. 1 zeigt ein rechteckiges Plättchen, daa derart aus einen piezoelektrischen
Material geschnitten ist, daee die Hauptfllchen senkrecht zur elektriechen
Achse X dee Materials verleufen, und dass die Richtung Z' der Breite dee
Plettchens einen Winkel β (Schnittwinkel genannt) mit dar optiechen Achse Z
bildet. Oer gleiche Winkel β let zwiechen der Richtung Y1 der Länge und jener
dar nechanischen Achse Y vorhanden«
0er Winkel β wird besondere in Funktion dee Temperaturbereiches gewählt, in
welchen dar Schwinger verwendet werden eoll.
Auf Jeder der Hauptflächen werden durch Verdampfung in Vakuun Metallelektroden
niedergaechlagan, un eine wechselspannung anzulegen, welche ein elektrisches
Feld parallel zur Achse X induziert. Oieaaa Feld bewirkt eine komplexe Verformung
des Pllttchens: Einen Hauptschwingungemodus mit longitudinaler Auedehnung
und Kontrektion und nit dem Hauptmodus gekoppelte Sekundärmodi·
Die Fig. 1 zeigt in ausgezogenen Linien einen Grundriee dee PlMttchene bei
Fehlen eines elektriechen Feldes und nit gestrichelten Linien die Deformation,
(in stark übertriebenen Masse) durch Auedehnung, verureecht durch die Wirkung
dee Feldes E, das im vorliegenden Falle gegen den Beobachter gerichtet ist und ale positiv angenommen wird.
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Ein Punkt P in der Eben· d·· Plättchens verschiebt eich wegen dieser Deformation
im einen Betrag
wobei:
- E die Stärke dee elektrischen Feldes ist;
- K eine Konstante ist, die vom piezoelektrischen Kopplungefaktor und vom
Elaatizitätemodul dee verwendeten materials in Richtung der Achse Y' (d.h.
von Schnittwinkel β) abhängig ietf und
- y* die Abszisse dee Punktee P in Koordinateneyetem Y*Z1 iet, dessen Ursprung
im Zentrum des Plättchene liegt.
Den Hauptmodua ist ein erster gekoppelter Deformationemodua zugeordnet. Ee
handelt eich um eine Scherung wegen der eniaotropen Struktur dee piezoelektriechen
Hateriala. Diese Scherung iet in Fig. 2 dargestellt, wobei die Verechiebung
dee Punktee P wegen dieses Sekundärmodue gegeben iet durcht
wobei«
- E wiederum die Stärke dee elektriechen Feldee iatj
- K eine Konetante iet, die abhängig iet von Kopplungekoeffizienten dee ver-
wendeten Materials zwischen der Verformung in Längerichtung und der Verforaung
durch Scherung| und
- z* die Ordinate des Punktee P ist.
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- sr-
üie Fig. 3 zeigt die von der Ueberlagerung des Hauptmodua und des ersten gekoppelten
Modus resultierende Deformation. Es lässt sich feststellen, dass ein geometrischer Ort existiert, für welchen ^J y +Ay = 0 ist. Diese
β C
Diese Gerade n, die in Fig. 3 stricN-punktiert gezeichnet ist, ist die Knotenlinie
der resultierenden Schwingung. Ihre Lage ist unabhängig von der Stärke
und den Vorzeichen des über die Elektroden angelegten elektrischen Feldes
und wird nur durch die Kennlinien des verwendeten Materials und durch den
Schnittbiinkel β bestimmt.
Dia physikalischen Eigenschaften des piezoelektrischen Materials sind derart,
dass ein zweiter gekoppelter Schwingungamodus vorhanden ist, der ein Modus mit
transversaler Ausdehnung und Kontraktion ist, d.h. in Richtung der Achse Z*.
Bei dieser Schwingung verschieben sich die Punkte des Schwingers parallel zur
Achse Z1 um einen Betrag:
uobei:
- E wiederum die Stärke des elektrischen Feldes ist;
- K. eine Konstante ist, die abhängig ist vom piezoelektrischen Kopplungskoeffizienten und vom Elastizitätsmodul des verwendeten Materials in
Richtung der Achse Z', d.h. vom Schnittwinkel θ| und
- z* wiederum die Ordinate das betrachteten Punktes ist.
Die Fig. 4 zeigt die Verschiebung der Punkte das Schwingers unter dem kombinierten
Einfluss der drei oban erwähnten Modi.
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- er-
Der Punkt P verschiebt sich um einen Betrag, der die vektorielle bumme der
oben angegebenen Teilv/erechiebungen ist, d.h. der gleich ibt:
Λ ya + 4yc ^z
8 C
deren Punkte A und B, welche auf den Schnittpunkten mit den Seiten des
Plättchens liegen, verschieben sich nur in einer Richtung parallel zur Achse Z1.
Die Grundidee der Lrfindung besteht darin, die Wirkung der gekoppelten Modi
zu berücksichtigen und die Aufhängungsarme in der Nähe des Schnittes der
Knotenlinie (oder Knotenebene, wenn man die Dicke des Plättchens berücksichtigt)
mit den seitlichen Längskanten des Plättchen· zu befestigen. Die Arme werden dadurch »nur durch die zweite gekoppelte Schwingung beeinflusst,
und zwar nur in einer Richtung und man könnt· ihren Einbau in einen Sockel
in der Nähe eines Schwingungsknoten· vorsehen, was aber schwierig auszuführen
ist, da die Arme zusammengesetzten Deformationen unterliegen, nämlich Biegung-Zug
und Biegung-Torsion. Die Hauptschwingung wird dabei nicht behindert.
Die Fig. 5 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungagemässen Schwinger·,
bei welchem das rechteckige Plättchen 1 aus einem piezoelektrischen Material geschnitten ist, wobei die Achsen Y1 und Z1 gemäss Fig. 1 angeordnet sind;
geradlinige Abschnitte 2 und 3, welche senkrecht zu den Seitenflächen 4 und 5 des Plättchens 1 stehen, werden gleichzeitig mit diesem und aus der gleichen
Materialplatte ausgeschnitten. Die Längsachse der Abschnitte 2 und 3 läuft durch
den Schnitt der Knotenebene η mit den Seitenflächen 4 und 5 (Punkte A und B).
Die Abschnitte 2 und 3 sind daher auf die beiden Seiten der Achse Z1 verschoben
und haben die gleiche Dicke wie das Plättchen 1. Eine dünne Metallschicht 6 ist auf beide Hauptflachen des Plättchens 1 aufgebracht) diese Schichten bilden
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die Erregerelpktroden, ihre Verlängerungen über die Arme 2 und 3 stellen
die elektrische Verbindung mit einer Oszillatorechaltung her; weiter gestatten
diese das Anlöten der einen Enden von flexiblen, metallischen Verbindungen 7 und 8 parallel zu den Hauptflächen des Plättchens 1, die andern
Enden dieser Verbindungen werden z.B. durch Löten mit starren Trägern 9 und 10 verbunden, welche elektrisch voneinander isoliert sind und Teil einer
nicht gezeigten Basis bilden. Die Verbindung 7 ist mit der Metallisierung einer Fläche, die Verbindung 8 mit der Metallisierung der andern Flache verbunden.
Die Verbindungen 7 und 8, welche durch den zweiten gekoppelten Modus mit
transversaler Ausdehnung und Kontraktion beeinflusst werden, erbeiten rein mit Biegung. Sie können als in C und D eingespannte Balken betrachtet werden
und ihre Länge ist derart berechnet, dass die zuletzt genannten Punkte auf Knoten ihrer Schwingung liegen. Diese Aufhängung des Plättchens bewirkt daher
keine Verringerung des Gütefaktors. Diese Verbindungen 7 und 8 stellen netürlichiauch
die elektrische Verbindung mit der zugehörigen elektronischen Schaltung her. Diese Ausführungsform hat eine ausgezeichnete Schlagunempfindlichkeit.
Die Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform, bei welcher die Arme 11 und 12
als Ganzes einen integralen Teil dee Plättchens 1 bilden, d.h. die Kombination Plättchen-Arme ist monolithisch. Uie bei der vorherigen Ausführungsform erstreckt
sich die Metallisierung der Flächen, die die Elektroden bilden, auch auf die Aufhängungsarme, die direkt mit starren Trägern 9 und 10 verlötet sind;
jeder Arm weist ein erstes Segment senkrecht zu einer der Seitenflächen und
ein zweites Segment von grösserer Länge parallel zu den Seitenflächen auf.
wiederum ist die Länge der letzteren Segmente derart berechnet, desa die
Biegeschwingung dieser Teile nicht gedämpft wird. Die auf den Aufhängungsarmen
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aufgebrachte Metallschicht stellt wiederum die elektrische Verbindung dar
Elektroden mit der zugehörigen Schaltung sicher.
Beim in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel bilden die Arme 13 und 14 ebenfalls integrale Teile das Plättchens 1, Jeder von diesen besitzt nur einen
Teil parallel zur Achse Z1. Sie Bind einer Schwingung mit Ausdehnung und Kon»
traktion ausgesetzt, bewirkt durch die transversale Schwingung mit Ausdehnung
und Kontraktion des Schwingers. Plan kann sie ebenfalls als in C und 0 eingespannte
Balken betrachten und ihr· Länge derart berechnen, dass diese Punkt«
auf Schwingungknoten liegen. Die Schwingung des Schwingers wird dabei nicht gedämpft.
fig. B zeigt eine vereinfachte Ausführungsform, bei welcher der Schwinger ein
rechteckiges Plätteben 1 aufweist, das auf seinen Hauptflächen mit Metall-Bchichten
6 versehen ist, und weiter zwei Arme, die aus abgekröpften Metalldrähten 11' und 12* bestehen, deren eine Enden Je direkt mit einer der
Schichten 6 und deren andere Enden mit starren Trägern 9 und 10 verlötet sind.
Die bis dahin beschriebenen Aueführungeformen eignen sich besonders gut für
Serienfabrikation, besonders weil die Schwinger klein sind und die Dicke der
Platten, aua welchen sie geschnitten werden, gering ist, d.h. in der Gröesen—
Ordnung von einigen Hundertstels- bia Zehntelemillimetern'· Die Herstellung kann unter Benützung der Maskier- und Aatztechnik für das Aueschneiden der
Plättchen und ihrer Arme und für die gleichzeitige Metallisierung der Elektroden
6 und der auf den Armen verlaufenden Zuleitungen erfolgen. Die verschiedenen Techniken werden laufend in der Mikroelektronik verwendet und sind gut aua—
gereift.
Bei allen bis Jetzt beschriebenen Ausführungsformen erfolgt die Fixierung dar
Arme auf den starren Trägern 9 und 10 durch Löten. Das für diese Lötungen verwendete Zusatzmaterial ist auf Zinnbasis hergestellt, d.h. mit einem ziemlich
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- If ■·
weichen Material. Die Befestigung hat nicht ganz die wünschenswerte Steifigkeit
und nur kann nur mit einer gewissen Annäherung als Einspannung betrachtet werden.
Fig. 9 zeigt eine Verbesserung, die ohne weiteres auf die Ausführungsbeispiele
nach den Fig. 6 und 7 angewandt werden kann. Üie Arme 11 und 12, die jenen
von Fig. 6 ähnlich sind, enden in einem Teil, der breiter ist als der Aufhängungsarm
selbst. Diese Breitenänderung v/erändert die akustische Impedanz des Armes und bewirkt eine fast ideale Einspannung. Die Lage dieser Verbreiterung
und damit die Einspannung kann mit grosser Genauigkeit bestimmt werden und ist bei Serienfabrikation gut reproduzierbar, was bei der Lotung nicht der
Fall ist.
Die Verbreiterungen 15 sind wie der Rest der Arme metallisiert und werden in
üblicher Weise mit starren Trägern verlötet. Die Lage und die Zusammensetzung
der Lötstelle haben keinen Einfluss und können keine Verringerung des Gütefaktors
des Schwingers bewirken.
Die in Fiy. 10 gezeigte Ausführungsform vereinigt die Vorteile dfjr vorliegenden
Erfindung mit den im Schweiz. Pat.Gesuch Nr. 12 124/75 beschriebenen.
Bei dieser Ausführiingsform bilden das Plättchen 16, die Arme 17, 18 und die
starre üasie 19 eine monolithische Einheit und werden durch chemische Herstellung
von Rillen 20 in einer Platte mit grösseren Abmessungen als jene des Schwingers
mit seinen Armen erhalten. Die Elektroden 21, die elektrischen Verbindungen auf den Aufhängungsarmen und die Anschlussklemmen 22 und 23 werden mit einem
einzigen Metallisierungsvorgang erhalten, der auf beiden Flächen gleichzeitig
erfolgt.
Es ist zu bemerken, dass bsi allen beschriebenen Ausführungsformen die Breite
der Aufhängugnsarme in der Zone, in welcher sie sich mit dem Plättchen ver-
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einigen, nur eine untergeordnete Rolle spielt. Berechnungen und Versuche heben
gezeigt, dass, wenn diese Breite 1/1O der Länge des Plättchens nicht übersteigt,
keine Dämpfung der Schwingung zu befürchten ist.
Die möglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die
oben beschriebenen beschränkt. Der aktive Teil des Schwingers, die Aufhängungsarne und die starre Basis können Formen oder Abmessungen aufweisen, die relativ
oder absolut verschieden sind, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Insbesondere können die Arme mit der Achse Y* einen andern Winkel ale
9U bilden; sie könnten z.B. in der Verlängerung der Knotenlinie η mit dem
Plättchen verbunden sein.
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Leerseite
Claims (10)
- AnsprücheΛ»JKleinstschwinger mit einem ebenen Resonator und zwei parallel zur Lbene dee Resonators angeordnete Aufhängungsarme, wobei-.ein Ende jedes Armes ausgelegt ist zur Befestigung an einem starren Träger und der Resonator nuf zwei seiner Flächen mit Elektroden zur Schwingungserregung versehen ist, welche Elektroden den Armen zugeordnete Anschluseuerlängerungen aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daas der Resonator derart aus einem piezoelektrischen Material geschnitten ist, dass er in einer Schwingung schwingt, die aus der Ueberlagerung eines Hauptmodus mit einer Schwingung von longitudineler Ausdehnung und Kontraktion, eines ersten gekoppelten Modus einer Scherungsschwingung und eines zweiten gekoppelter Modus einer Schwingung mit Ausdehnung und Kontraktion resultiert, wobei der Resonator praktisch im Schnitt einer Knotenebene der Schwingung, welche aus der Ueberlagerung des Hauptmodus und des ersten gekoppelten f'lodus resultiert, an den Seitenflächen des Resonators mit den Armen verbunden ist, so dass die genannten Arme nur durch die zweite gekoppelte Schwingung beaufschlagt werden, und dass die Befestigung dieser Arme auf dem starren Träger an einem Knoten der Schwingung der Arme engeordnet ist.
- 2. Kleinstschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil dieser Arme gleichzeitig und aus der gleichen Platte piezoelektrischen Materials geschnitten ist wie der Resonator·
- 3. Kleinstschwinger nach Anspruch 2, dadurch gekannzeichnet, dass der Resonator ein rechteckiges Plättchen ist, wobei der Hauptmodue mit Ausdehnung und Kontraktion ein Longitudinalmodus und der zweite gekoppelte Modus ein Tranaversalmodus ist.
- 4. Kleinstschwinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder dieser Arme einen ersten Teil aufweist, der senkrecht zur einer der Seitenflächen des809811/0735
ORIGINAL INSPECTED-YZ-Plättchens steht, und einen zweiten parallel zu dieser Seitenfläche angeordneten Teil, wobei der zweite Teil ebenfalls gleichzeitig und aus der gleichen Platte piezoelektrischen Materials geschnitten ist wie der Resonator. - 5. Kleinstschwinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder dieser Arne einen ersten senkrecht zu einer der Seitenflächen des Plättchens stehenden Teil aufweist, und einen zweiten Teil, der aus einem metallischen, nachgiebigen Bolzen besteht, dessen eines Ende senkrecht mit einem Ende des ersten Teiles verbunden ist.
- 6. Kleinstschwinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder dieser Arme einen ersten senkrecht zu einer der Seitenflächen des Plättchens stehenden Teil aufweist, wobei das Ende dieses Teiles ausgelegt ist für die Befestigungam starren Träger.
- 7. Kleinstschwinger nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder dieser Arne am für die Befestigung mit den Träger vorgesehenen Ende einen Teil grösserer Breite aufweist, ua die Einepennung der Enden der Arme zu verbessern.
- B. Kleinstschwinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Arme eine Breite eufweisen, die weniger ele ein Zehntel der Länge dee Plättchens beträgt. __
- 9. Kleinstschvinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daee die Elektroden uad dle> Anschlussverl&ngerungen gleichseitig durch einen Metallisierungsvorgang niedergeschlagen werden, mindestens auf einer Hauptflache des Plättchen» und auf eine· Are.
- 10. Kleinstschwinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass des genannte Plättchen derert aus einer Plstte piezoelektrischen Materials geschnitten ist, dass die Hauptflächen des Plättchens senkrecht zur elektrischen809811/0735Achs» X des Material· verlaufen, und da·· die Breite de· Plättchen· einen Winkel β zur Richtung der optiechen Achse Z bildet.809811/0735
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