DE2738877C2 - Piezoelektrischer Kleinstschwinger - Google Patents

Description

Fig.5 bis 9 Grundrisse von verschiedenen Ausführungsbeispielen.

F i g. 1 zeigt ein rechteckiges Plättchen, das derart aus einem piezoelektrischen Material geschnitten ist, daß die Hauptflächen senkrecht zur elektrischen Achse X des Materials verlaufen, und daß die Richtung Z'der Breite des Plättchens einen Winkel θ (Schnittwinkel genannt) mit der optischen Achse Z bildet, der. in Funktion des Temperaturbereiches gewählt wird. Der gleiche Winkel θ ist zwischen der Richtung Y' der Länge und jener der mechanischen Achse Y vorhanden.

Auf jeder der Hauptflächen werden durch Verdampfung im Vakuum Metallelektroden niedergeschlagen. Eine Wechselspannung wird an diese Elektroden angelegt, welche ein elektrisches Feld parallel zur Achse λ' induziert. Dieses Feld bewirkt eine komplexe Verformung des Plättchens: Einen Hauptschwingungsmodi!s mit fongitudinaler Ausdehnung und Kontraktion und mit dem Hauptmodus gekoppelte Sekundärmodi.

Die F i g. 1 zeigt in ausgezogenen Linien einen Grundriß des Plättchens bei Fehlen eines elektrischen Feldes und mit gestrichelten Linien die Deformation (in stark übertriebenen Masse) durch Ausdennung, verursacht durch die Wirkung des Feldes E, das im vorliegenden Falle gegen den Beobachter gerichtet ist und als positiv angenommen wird.

Ein Punkt P in der Ebene des Plättchens verschiebt sich wegen dieser Deformation um einen Betrag

Ay, - E K₁ ■ y'
wobei:

— E die Stärke des elektrischen Feldes ist;

— K₁ eine Konstante ist, die vom piezoelektrischen

Kopplungsfaktor und vom Elastizitätsmodul des verwendeten Materials in Richtung der Achse y'(d. h. vom Schnittwinkel Θ) abhängig ist; und

— y' die Abszisse des Punktes P im Koordinatensystem VZ'ist, dessen Ursprung im Zentrum des Plättchens liegt.

Die Knotenlinie dieser Schwingung, d. h. der geometrische Ort der Punkte, deren Verschiebung Null ist, fällt mit der Achse Z'zusammen.

Dem Hauptmodus ist ein erster gekoppelter Deformationsmodus zugeordnet. Es handelt sich um eine Scherung wegen der anisotropen Struktur des piezoelektrischen Materials. Diese Scherung ist in F i g. 2 dargestellt, wobei die Verschiebung des Punktes P wegen dieses Sekundärmodus gegeben ist durch:

Ay_t

wobei:

E- K_c- z'

— E wiederum die Stärke des elektrischen Feldes

ist;

— Kc eine Konstante ist, die abhängig ist vom

Kopplungskoeffizienten des verwendeten Materials zwischen der Verformung in Längsrichtung und der Verformung durch Scherung; und

— z' die Ordinate des Punktes Pist.

Die Knotenlinie dieser Schwingung fällt mit der Achse !"zusammen.

Die F i g. 3 zeigt die von der Überlagerung des Hauptmodus und des ersten gekoppelten Modus resultierende Deform&tion. Es läßt sich feststellen, daß ein geometrischer Ort existiert, für weichen Ay₁ +Ay₀ = O

ist Diese Punkte liegen auf einer Geraden, die definiert ist durch:

Diese Gerade n, die in Fig.3 strich-punktiert gezeichnet ist, ist die Knotenlinie der resultierenden Schwingung. Ihre Lage ist unabhängig von der Stärke und dem Vorzeichen des über die Elektroden angelegten elektrischen Feldes und wird nur durch die Kennlinien des verwendeten Materials und durch den Schnittwinkel θ bestimmt

Die physikalischen Eigenschaften des piezoelektrischen Materials sind derart, daß ein zweiter gekoppelter Schwingungsmodus vorhanden ist, der ein Modus mit transversaler Ausdehnung und i^ntraktion ist, d. h. in Richtung der Achse Z'.

Bei dieser Schwingung verschieben sich die Punkte des Schwingers parallel zur Achse Z'um einen Retrag:

Az=E-K₁-Z'
wobei:

— E wiederum die Stärke des elektrischen Feldes JO 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 des betrachteten

Punktes ist.

Die Fig.4 zeigt die Verschiebung der Punkte des ■to Schwingers unter dem kombinierten Einfluß der drei oben erwähnten Modi.

Der Punkt P verschiebt sich um einen Betrag, der die vektorielle Summe der oben angegebenen Teilverschiebungen ist, d. h. der gleich ist:

Ay₁ + Ay_c + Az

Die Punkte der Knotenlinie n, für welche Ay₁ + Ay_c = 0

ist, und insbesondere deren Punkte A und B, welche auf den Schnittpunkten mit den Seiten des Plättchens liegen, verschieben sich nur in einer Richtung parallel zur Achse Z'.
Die Grundidee der Erfindung 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 Plättchens zu befestigen. Die Arme werden dadurch nur durch die zweite gekoppelte Schwingung beeinflußt, und zwar nur in einer Richtung. Die Fig.5 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schwingers. Geradlinige Abschnitte 2 und 3, welche die gleiche Dicke wie das Plättchen 1 aufweisen, stehen -enkrecht zu den Seitenflächen 4 und 5 des Plättchens 1 und werden aus der gleichen Materialplatte ausgeschnitten. Die Längsachse der Abschnitte 2 und 3 läuft durch den Srhnitt Ηργ

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Knotenebene η mit den Längsseitenflächen 4 und 5 (Punkte A und B). Die senkrechten Abschnitte 2 und 3 sind daher auf die beiden Seiten der Achse Z' verschoben. Eine dünne Metallschicht 6 ist auf beide Hauptflächen des Plättchens 1 und auf die senkrechten Abschnitte 2 und 3 aufgebracht. Diese Metallschichten bilden die Erregerelektroden, ihre Fortsätze über die Arme stellen die elektrische Verbindung mit einer Oszillatorschaltung her; die Metallschichten gestatten das Anlöten der einen Enden von flexiblen, metallischen parallelen Abschnitten 7 und 8 parallel zu den Hauptflächen des Plättchens !,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 ι Basis bilden. Der parallele Abschnitt 7 ist mit der Metallisierung der einen Breitseite, der parallele Abschnitt 8 mit der Metallisierung der andern Breitseite verbunden.

Die parallelen Abschnitte 7 und 8, welche durch den : zweiten gekoppelten Modus angeregt werden, arbeiten rein mit Biegung. Sie können als in C und D eingespannte Balken betrachtet werden und ihre Länge ist derart berechnet, daß die Punkte Cund Dim Knoten ihrer Schwingung liegen. Diese Aufhängung des : Plättchens bewirkt daher keine Verringerung des Gütefaktors des Resonators. Diese Ausführungsform hat eine ausgezeichnete Schlagunempfindlichkeit und ist relativ einfach herzustellen.

F i g. 6 zeigt eine andere Ausführungsform, bei ν welcher die Arme 11 und 12 als Ganzes einen integralen Teil des Plättchens 1 bilden, d. h die Kombination Plättchen-Arme ist monolithisch, was eine Vereinfachung bei der Montage des Resonators zur Folge hat. Wie bei der vorherigen Ausführungsform erstreckt sich die Metallisierung der Flächen, die die Elektroden bilden, auch auf die Arme, die direkt mit starren Trägern 9 und 10 verlötet sind: jeder Arm weist einen Abschnitt senkrecht zu einer der Seitenflächen und einen Abschnitt von größerer Länge parallel zu den -» Seitenflächen auf.

Die Länge der parallelen Abschnitte ist auch hier derart berechnet, daß die Biegeschwingung dieser Teile nicht gedämpft wird. Die auf den Armen aufgebrachte Metallschicht stellt wiederum die elektrische Verbin- 4-, dung der Elektroden mit der zugehörigen Schaltung sicher.

Fig. 7 zeigt eine besonders einfache Ausführungsform, bei welcher der Resonator ein rechteckiges Plattcnen Γ aufweist, das auf seinen Hauptflächen mit ν Metallschichten 6 versehen ist. und zwei Arme, die aus abgekröpften Metalldrähten 1Γ und 12' bestehen, deren eine Enden je direkt mit einer der Metallschichten 6 und deren andere Enden mit starren Trägern 9 und 10 verlötet sind. -=

Die bis dahin beschriebenen Ausführungsformen eignen sich besonders gut für Serienfabrikation, besonders weil die Resonatoren klein sind und die Dicke der Platten, aus welchen sie geschnitten werden, gering ■> ist, d. h. in der Größenordnung von einigen Hundertsteibis Zehntelmillimetern. Die Herstellung kann unter Benützung der Maskier- und Ätztechnik für das Ausschneiden der Plättchen und ihrer Arme und für die gleichzeitige Metallisierung der Elektroden und der auf den Armen verlaufenden Zuleitungen erfolgen. Die verschiedenen Techniken werden laufend in der Mikroelektronik verwendet und sind gut ausgereift.

Bei allen bis jetzt beschriebenen Ausführungsformen

erfolgt die Fixierung der 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 weichen Material. Die Befestigung hat nicht ganz die wünschenswerte Steifigkeit und kann nur mit einer gewissen Annäherung

' als Einspannung betrachtet werden.

F i g. 8 zeigt eine Verbesserung, die ontic weiteres auf die Ausführungsbeispiele nach der Fig. 6 angewandt werden kann. Die Arme 11 und 12, die jenen von F i g. 6 ähnlich sind, enden in einem Bereich 15. der breiter ist als der parallele Abschnitt selbst. Diese Breitenänderung verändert die akustische Impedanz des Armes und bewirkt eine fast ideale Eünspannung. Die Lage dieses Bereiches 15 und damit die Einspannung kann mit großer Genauigkeit bestimmt werden und ist bei SerienfitOrikation gut reproduzierbar, was bei der Lötung nicht der Fall ist.

Die Bereiche 15 sind wie der Rest der Arme metallisiert und werden in üblicher Weise mit starren Trägern verlötet. Die Laße und die Zusammensetzung der Lötstelle haben keinen Einfluß und können keine Verringerung des Gütefaktors des Schwingers bewirken.

Bei der Ausführungsform nach Fig.9 bilden das Plättchen JS, die Arme 17, !8 und die starre Basis 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 Armen und die Anschlußklemmen 22 und 23 werden mit einem einzigen Metallisierungsvorgang erhalten, der auf beiden Flächen gleichzeitig erfolgt.

Es ist zu bemerken, daß bei allen beschriebenen Ausführungsformen die Elreite der Arme in der Zone, in welcher sie sich mit dem Plättchen vereinigen, nur eine untergeordnete Rolle spielt. Berechnungen und Versuche haben gezeigt, daß. wenn diese Breite '/,o der Länge des Piättchens nicht übersteigt, keine Dämpfung der Schwingung zu befürchten ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche: -

1. Piezoelektrischer Kleinstschwinger mit einem ebenen Resonator in Form eines rechteckigen Plättchens und zwei parallel zur Ebene des Plättchens angeordneten Armen, die an einem Ende an einem starren Träger befestigt sind, wobei das Plättchen auf zwei seiner breiten Flächen mit Elektroden versehen ist die über die Arme mit dem Träger mechanisch und elektrisch verbunden sind, aus einem piezoelektrischen Material geschnitten ist und eine Schwingung ausführt, die aus der Oberlagerung eines aus einer Längsausdehnung und -kontraktion bestehenden Hauptmodus, eines aus einer Scherung bestehenden ersten gekoppelten Modus und eines aus einer Querausdehnung und -kontraktion bestehenden zweiten gekoppelten Modus resultiert, und wobei das Plättchen etwa im Schnitt einer Knotenebene einer Schwingung, welche aus der Überlagerung des Hauptmodus und des ersten gekoppelten Modus resultiert, an den schmalen I ängsseitenflächen mit den Armen verbunden ist* dadurch gekennzeichnet, daß die Arme aus senkrecht zu den schmalen Längsseitenflächen (4, 5) des Plättchens (1) angeordneten Abschnitten (2,3) und aus parallel zu den schmalen Längsseitenflächen (4, 5) des Plättchens (1) verlaufenden Abschnitten (7, 8) bestehen, die durch den zweiten gekoppelten Modus *u einer Biegeschwingung angeregt sind, und daß die Befestigung der parallel verlaufenden Abschnitte (7, 8) der Arme an dem starren Träger (9, 10, 19) in einem Knoten der Biegeschwinstung liegt.

2. Kleinstschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mind· Jtens die senkrecht angeordneten Abschnitte (2, 3) der Arme und das Plättchen (1) aus einer einziger; Platte piezoelektrischen Materials hergestellt sind.

3. Kleinstschwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der parallel verlaufenden Abschnitte (7, 8) für die Befestigung mit dem Träger vorgesehenen Ende einen Bereich (15) größerer Breite aufweist.

4. Kleinstschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder parallel verlaufende Abschnitt (7, 8) der Arme aus einem metallischen, nachgiebigen Bolzen besteht, dessen eines Ende rechtwinklig mit einem Ende des senkrecht angeordneten Abschnittes (2, 3) und dessen anderes Ende mit dem Träger (9, 10) verbunden ist.

5. Kleinstschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Arme eine Breite aufweisen, die weniger als ein Zehntel der Länge des Plättchens (1) beträgt.

6. Kleinstschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (16) und die elektrischen Verbindungen zum Träger mindestens auf einer Breitseite des Plättchens (1) und auf einem Arm als einheitliche Metallisierung ausgebildet sind.

7. Kleinstschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Plättchen (1) derart aus einer Platte piezoelektrischen Materials geschnitten ist, daß die Breitseiten des Plättchens senkrecht zur elektrischen Achse X des Materials verlaufen, und daß die Breite des Plättchens einen Winkel θ zur Richtung der optischen Achse Zbildet.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Kleinstschwinger mit einem ebenen Resonator in Form eines rechteckigen Plättchens und zwei parallel zur Ebene des Plättchens angeordneten Armen, die an einem Ende an einem starren Träger befestigt sind, wobei das Plättchen auf zwei seiner breiten Flächen mit Elektroden versehen ist, die über die Arme mit dem Träger mechanisch und elektrisch verbunden sind, aus einem piezoelektrischen Material geschnitten ist und

ίο eine Schwingung ausführt, die aus der Überlagerung eines aus einer Längsausdehnung und -kontraktion bestehenden Hauptmodus, eines aus einer Scherung bestehenden ersten gekoppelten Modus und eines aus einer Querausdehnung und -kontraktion bestehenden zweiten gekoppelten Mcdus resultiert, und wobei das Plättchen etwa im Schnitt einer Knotenebene einer Schwingung, welche aus der Überlagerung des Hauptmodus und des ersten gekoppelten Modus resultiert, an den schmalen Längsseitenflächen mit den Armen vsrbunden ist.

Aus der CH-PS 5 78 803 ist ein Schwinger bekannt, der einteilig aus einem Plättchen piezoelektrischen Materials geschnitten ist und ein zentrales, rechteckiges Gebiet als ebenes Resonatorelement und zwei parallel zur Ebene des Resonators angeordnete Haltearme aufweist, wobei ein Ende jedes Haltearmes der Befestigung an einem starren Träger dient. Der Resonator sowie bejde Arme sind auf beiden Seiten mit Elektroden versehen, und der Resonator ist aus dem piezoelektrischen Material so geschnitten, daß er in einem Hauptmodus longitudinaler Ausdehnung und Kontraktion schwingt, welcher Hauptmodus mit einem aus einer Scherung bestehenden Modus gekoppelt ist. Der Resonator ist praktisch im Schnitt einer Knotenebene der Schwingung, welche aus der Überlagerung des Hauptmodus und des aus Scherung bestehenden Modus resultiert, an den Längsseitenflächen des Resonators mit den Haltearmen verbunden. Ein solcher Schwinger kann jedoch nicht besonders klein ausgeführt werden. Sind die Haltearme an einem Knotenpunkt ihrer Schwingung befestigt, um die Dämpfung des "Resonators auf ein Minimum zu beschränken, so müssen die Arme eine Länge aufweisen, die ungefähr der halben Länge des Resonators entspricht, was zu übermässigem Platzbedarf und hoher Zerbrechlichkeit führt.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung einen Schwinger der obengenannten Art vorzusehen, bei welchem die Arme in einer Knotenebene der aus einem Hauptmodus und mindestens einem gekoppelten Modus resultierenden Schwingung des Resonators befestigt sind, wobei der Schwinger sehr geringe Abmessungen aufweisen und sich gut für Großserienfabrikation eignen kann.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Arme aus senkrecht zu den schmalen Längsseitenflächen des Plättchens angeordneten Abschnitten und aus parallel zu den schmalen Längsseitenflächen des Plättchens verlaufenden Abschnitten bestehen, die durch den zweiten gekoppelten Modus zu einer Biegeschwingung angeregt sind, und daß die Befestigung der parallel verlaufenden Abschnitte der Arme an dem starren Träger in einem Knoten der Biegeschwingung liegt,

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung

b5 zeigen die

Fig. 1 bis 4 verschiedene Verformungsmodi eines Plättchens, das den aktiven Teil des Schwingers bildet; und die