DE2936887A1

DE2936887A1 - Piezoelektrische stimmgabel

Info

Publication number: DE2936887A1
Application number: DE19792936887
Authority: DE
Inventors: Satoru Fujishima; Takeshi Nakamura
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1978-09-12
Filing date: 1979-09-12
Publication date: 1980-03-20
Also published as: GB2034531B; US4302694A; JPS5538785A; GB2034531A; DE2936887C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen
elektromechanischen Resonator und insbesondere eine piezoelektrische Stimmgabel.

Es stehen zahlreiche piezoelektrische Stimmgabeln
5 kommerziell zur Verfügung, ein Beispiel hiervon ist in der Fig. 1 gezeigt. Wie in der Fig. 1 zu sehen ist, besteht
eine piezoelektrische Stimmgabel gemäß dem Stand der Technik aus einem im allgemeinen U-förmigen Abstimmvibrator 1, der so aus einem Metallstreifen gebogen ist, das zwei ein-10 ander gegenüber und nebeneinanderliegende Schenkel 2 und 3 entstehen, die einander gegenüberliegende Schenkel einer
U-Form bilden. Jeder der SchenleL 2 und 3 ist mit einer
Elektrodenschicht 6 oder 7 versehen, die auf und eine ent-

BANK: DRESDNER BANK,

ÖS0Ö12/QÖ2)

;, HAMBURG, 4 030 448 (BLZ 200 800 00) POSTSCHECK: HAMBURG 1*

76 07-200 (BLZ 200 100 20) TELEGRAMM: SPECHTZIES

sprechende piezoelektrische Keramikplatte A oder 5 überangeordnet ist

läppend, welche an einer der äußeren oder inneren Flächen, beispielsweise der inneren Fläche des entsprechenden Schenkels 2 oder 3 angeklebt ist.

Die anhand der Fig. 1 beschriebene bekannte piezoelektrische Stimmgabel bringt einige Schwierigkeiten mit sich. Insbesondere wenn der Abstimmvibrator 1 durch einen gebogenen Metallstreifen gebildet ist, besteht für die Verkleinerung der piezoelektrischen Stimmgabel eine Grenze. Zusätzlich wird durch die Verwendung eines Klebstoffes zur Befestigung der piezoelektrischen Keramikplatten 4 und 5 an den entsprechenden Schenkeln 2 und 3 die Leistung der piezoelektrischen Stimmgabel bis zu einem solchen Grad nachteilig beeinflußt, daß Rolle und Bedeutung des Klebstoffes nicht außer acht gelassen werden können.

Angesichts der oben beschriebenen Schwierigkeiten wurde durch die Anmelderin eine piezoelektrische Stimmgabel wie in der Fig. 2 dargestellt und durch die US-Patentanmeldung 902,819 bekannt, vorgeschlagen. Die piezoelektrische Stimmgabel gemäß der Fig. 2 besteht aus einem im allgemeinen U-förmigen Abstimmvibrator 10, der durch Einschneiden in einen im allgemeinen rechteckigen Metallblock gebildet ist um zwei einander gegenüber und nebeneinanderliegende Schenkel 11 und 12 zu bilden, die die einander gegenüberliegenden Schenkel einer U-Form bilden. Jeder der Schenkel

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11 und 12 ist mit einer aufgedampften Elektrodenschicht 13 oder 14 versehen, die die entsprechenden piezoelektrischen Schichten 15 oder 16 bedeckt, wobei die piezoelektrischen Schichten 15 und 15 aus einem piezoelektrischen Material wie beispielsweise ZnO bestehen, welches an der äußeren Fläche des entsprechenden Schenkel 11 oder 12 in einer bekannten Zerstäubertechnik aufgebracht worden ist.

Die anhand der Fig. 2 beschriebene piezoelektrischte Stimmgabel kann in einer kompakteren Größe als die in der Fig. 1 gezeigte hergestellt werden und kann verglichen mit der Bauweise gemäß der Fig. 1 mit größerer Präzision in der Massenherstellung hergestellt werden, da sie einen einfachen Aufbau mit relativ großer physikalischer Festigkeit aufweist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die piezoelektrische Stimmgabel gemäß der Fig. 2 in ihrer Wirkungsweise zu steigern und so zu verbessern, daß sie in noch kompakterer Bauweise hergestellt werden kann.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine derartige piezoelektrische Stimmgabel so zu verbessern, daß sie noch leichter als die in der Fig. 2 gezeigte piezoelektrische Stimmgabel in Massenfertigung hergestellt werden kann.

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BAD ORIGINAL

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine derartige piezoelektrische Stimmgabel so zu verbessern, daß sie mit genauen Abmessungen hergestellt werden kann.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine derartige piezoelektrische Stimmgabel so zu verbessern, daß sie einen einfacheren Aufbau als die in der Fig. gezeigte Stimmgabel aufweist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte piezoelektrische . Stimmgabel der oben beschriebenen Art zu schaffen, die eine größere physikalische Festigkeit als die in der Fig. 2 gezeigte Stimmgabel aufweist.

Eine zugehörige Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung der oben beschriebenen verbesserten piezoelektrischen Stimmgabel zu schaffen.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch eine verbesserte Stimmgabel gekennzeichnet durch einen plattenähnlichen Abstimmvibrator, der aus einer Platte elektrisch leitfähigen Materials so geformt ist, daß zwei einander gegenüber und nebeneinanderliegende Schenkel und ein zwisehen diesen liegender Steg mit im wesentlichen verlängerten Querschnitt gebildet werden, wobei der Steg im rechten Winkel zur Längsachse jedes der Schenkel liegt und seine einander gegenüberliegenden Enden einstückig mit den Schenkeln ausgebildet sind. Auf wenigstens einer der an

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wenigstens einer der einander gegenüberliegenden Seiten des Abstimmvibrators durch ein bekanntes Beschichtungsverfahren aus der Gasphase einschließlich physikalischer Dampfbeschichtung, wie beispielsweise Metallaufdampftechnik, Zerstäubungstechnik oder Ionenpla_tiertechnik und einer chemischen Dampfbeschichtung, aufgebrachten piezoelektrischen Schichten oder diese überlappend ist wenigstens eine Elektrodenschicht am Abstimnrvribrator angeordnet. Die Elektrodenschicht ist im allgemeinen U-förmig und weist zwei einander gegenüberliegende Schenkel auf, die jeweils so positioniert sind, daß ihre Längsachsen auf einer der einander gegenüberliegenden Seiten des zugehörigen Schenkels in bezug zur bedachten Mittellinie zwischen den einander zugeordneten Schenkeln und parallel zur Längsachse eines jeden Schenkels erstreckt.

aus Die piezoelektrische Schicht kann auch'irgendeinem

bekannten piezoelektrischen Material wie beispielsweise ZnO bestehen, während die Elektrodenschicht auf der piezoelektrischen Schicht durchöie Verwendung irgendeines bekannten Herstellverfahrens für Elektroden wie beispielsweise Metallaufdampfen aufgebracht wird.

Die piezoelektrische Ab^timmgabel gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine zusätzliche Elektrodenschicht aufweisen, die entweder auf der gleichen Seite des Abstimm-

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vibrators wie die erstgenannte Elektrodenschicht angeordnet ist oder auf der anderen gegenüberliegenden Seite des Abstimmvibrators angebracht wird.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine bekannte piezoelektrische Stimmgabel in perspektivischer Darstellung;

Fig. 2 eine andere bekannte piezoelektrische Stimmgabel in perspektivischer Darstellung;

Fig. 3 verbesserte piezoe3äctrische Stimmgabeln

·* gemäß der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Darstellung; und

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform einer piezoelektrischen S timmgabel im Schnitt entlang der Schnittlinie VI-VI gemäß Fig. 3.

In den Fig. 3 bis 6 sind gleiche Teile nut gleichen Bezugsziffern benannt.

Die in der Fig. 3 gezeigte piezoelektrische Stimmgabel besteht aus einem plattenähnlichen Abstimmvibrator 20 mit zwei einander gegenüber und nebeneinanderliegenden Schenkeln

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21 und 22 und einem Steg 23, der im rechten Winkel zu den Längsachsen jedes Schenkels 21 und 22 liegt und dessen einander gegenüberliegende Enden einstückig mit den entsprechenden Schenkeln 21 und 22 ausgebildet sind. Der Abstimmvibrator 20 kann entweder durch Ausstanzen oder Photoätzen eines Teils aus einer im wesentlichen rechteckigen Platte aus elektrisch leitfähigem Material hergestellt werden um einen im wesentlichen länglichen Ausschnitt 24, der von einem Ende bis in die Nähe des gegenüberliegenden Endes der rechteckigen Platte reicht, zu bilden, wobei auf den entsprechenden Seiten des Ausschnittes 24 Schenkel 21 und 22 stehengelassen werden. Der Abstimmvibrator 20 kann aus irgendeinem bekannten elektrisch leitenden Metall bestehen, aber eine sich nicht ausdehnende Eisen-Nickel-Legierung, d.h. eine Metallegierung mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einer konstanten Elastizität die beispielsweise das allgemein bekannte "Elinvar" wird bevorzugt.

Soweit aus der Fig. 3 ersichtlich, ist der Abstimmvibrator 20 mit einer piezoelektrischen Schicht 25 aus irgendeinem bekannten piezoelektrischen Keramikmaterial wie beispielsweise ZnO versehen, welches eine der einander gegenüberliegenden Seiten des Abstimmvibrators 20 bedeckt. Die Ausbildung der piezoelektrischen Schicht 25 auf der Oberfläche des Abstimmvibrators 20 kann durch irgendein bekanntes Piatierverfahren aus der Gasphase einschließlich einem

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physikalischen Aufdampfverfahren wie beispielsweise Metallaufdampfen, Zerstäuben oder Ionenplatieren und einem chemischen Aufdampfverfahren erfolgen.

Die piezoelektrische Stimmgabel ist weiterhin mit einer im wesentlichen U-förmigen Elektrodenschicht 26 versehen, die zwei nebeneinanderliegende lange Abschnitte 26a und 26b und einen kurzen Abschnitt 26c aufweist, wobei die einander gegenüberliegenden Enden des kurzen Abschnittes 26c einteilig mit den langen Abschnitten 26a und 26b ausgebildet sind und diese miteinander verbinden, um die Abschnitte 26a, 26b und 26c zu einer U-Form zusammenzufügen. Obwohl die Elektrodenschicht 26 auf der piezoelektrischen Schicht 25 durch irgendein bekanntes Elektrodenherstellverfahren, vorzugsweise durch ein Metallaufdampfverfahren aufgebracht worden ist, ist diese so aufgebracht, daß die Längsachse jedes langen Abschnittes 26a und 26b zur gedachten Mittellinie X durch den entsprechenden Schenkel 21 oder 22 parallel zur Längsachse des Schenkels in Richtung zum Ausschnitt 24 hin versetzt ist.

Zur Herstellung eines elektrischen Anschlusses sind der Abstimmvibrator 20 und die Elektrodenschicht 26 mit entsprechenden Zuführdrähten 27 und 28 elektrisch leitend verbunden.

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Ausgehend davon, daß während des Betriebes an den Abstimmvibrator 20 über den Draht 27 ein elektrisches Signal angelegt ist, schwingt der Abstimmvibrator mit einer bestimmten Frequenz in einer Ebene parallel zur Elektrodenschichtebene, wobei die Schenkel 21 und 22 sich periodisch aufeinander zu und voneinander weg bewegen, kann an der Elektrodenschicht 26 über den Draht 28 ein Ausgangssignal erhalten werden und umgekehrt.

Bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 3 sind die langen Abschnitte 26a und 26b der Elektrodenschicht 26 als sich nahe dem Ausschnitt 24 entlang der Seitenteile der entsprechenden Schenkel 21 und 22 erstreckend, beschrieben. Bei der in der Fig. 4 gezeigten Ausführungsform jedoch ist eine im wesentlichen U-förraige Elektrodenschicht 29, die funktionsmäßig der Schicht 26 in der Fig. 3 entspricht, mit zwei nebeneinanderliegenden langen Abschnitten 29a und 29b und einem kurzen Abschnitt 29c, die zusammen eine U-Form bilden, auf der piezoelektrischen Schicht 25 so angeordnet, daß die Längsachsen jedes langen Abschnittes 29a und 29b zur entsprechenden Mittellinie X in Richtung weg vom Ausschnitt 24 versetzt sind.

Selbst eine piezoelektrische Stimmgabel, wie sie irjtier Fig. 4 dargestellt ist, kann auf ähnliche Art und Weise wie die in der Fig. 3 gezeigte Stimmgabel zufriedenstellend arbeiten.

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Bei der in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsform sind zwei Elektrodenschichten 30 und 31 auf der piezoelektrischen Schicht 25 angeordnet. Da jede der inneren und äußeren Elektrodenschichten 30 und 31 zwei nebeneinanderliegende lange Abschnitte 30a oder 31a und 30b oder 31b und einen kurzen Abschnitt 30c oder 31c aufweist, die alle im wesentlichen U-förmig angeordnet sind, sind die Elektrodenschichten 30 und 31 entsprechend ähnlich den Elektrodenschichten 26 und 29 gemäß den Fig. 3 und 4 angeordnet. Mit anderen Worten erstreckt sich jeder der langen Abschnitte 30a und 30b der Elektrodenschicht 30 entlang der einen Seite des entsprechenden Schenkels 21 oder 22 nahe dem Ausschnitt 24 und auf der einen Seite der zugehörigen Mittellinie X nahe dem Ausschnitt 24 während jeder der langen Abschnitte 31a und 31b der Elektrodenschicht 31 sich entlang der vom Ausschnitt 24 abgewandten Seite des zugehörigen Schenkels 21 oder 22 auf der anderen Seite der zugehörigen Mittellinie X abgewandt zum Ausschnitt 24 erstreckt.

Bei der in der Fig. 5 gezeigten Anordnung sind die Zuführdrähte 27 und 28 elektrisch leitend mit den Elektrodenschichten 30 und 31 verbunden.

Die piezoelektrische Stimmgabel mit dem in der Fig. 5 gezeigten Aufbau kann ähnlich wie ein Doppelvibrator wirken und daher verglichen mit der in den Figuren 3 und 4 gezeigten piezoelektrischen Stimmgabel eine relativ hohe

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elektromechanische Signalumwandlungsleistung erzeugen.

Bei der in der Fig,- 6 gezeigten Ausführungsform ist der Abstimmvibrator 20 an den einander gegenüberliegenden Seiten mit entsprechenden piezoelektrischen Schichten 32 und 33 beschichtet, die jeweils eine U-Form aufweisen und mit ersten und zweiten Elektrodenschichten 34 und 35 versehen sind. Die erste Elektrodenschicht 34 ist auf der piezoelektrischen Schicht 32 ähnlich wie die Elektrodenschicht 26 der Fig. 3 aufgebracht, während die zweite Elektrodenschicht 35 auf der piezoelektrischen Schicht 33 ähnlich wie die Elektrodenschicht 29 der Fig. 4 aufgebracht ist.

Die Bildung jeder der piezoelektrischen Schichten 32 und 33 auf der entsprechenden Seite des Abstimmvibrators 20 erfolgt durch ein im vorstehenden bereits beschriebenes Piatierverfahren aus der Gasphase.

Die piezoelektrische Stimmgabel mit dem in der Fig. gezeigten Aufbau arbeitet ähnlich wie die in Fig. 5 gezeigte Stimmgabel.

Anzumerken ist, daß bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform jedes Schenkelpaar 30a und 31a und die Schenkel 30b und 31b auf den entsprechenden Seiten der zugehörigen Mittellinie X und in gleichem Abstand zu dieser angeordnet sein können. Die Anmerkung gilt ebenso für die

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Elektroden 3^ und 35 der Fig. 6.

Die piezoelektrische Stimmgabel mit der in jeder der Fig. 3 bis 6 gezeigten Bauweise und gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Praxis in irgendeiner bekannten Art und Weise gehaltert, bevorzugt entweder durch einen Trägerstift (nicht dargestellt), der an der Einrichtung an einer, einem Bewegungsknoten des Vibrators 20 entsprechenden Posilon befestigt ist, oder durch einen Steg (nicht dargestellt) gehaltert, der am Steg 25 des Vibrators 20 befestigt oder festgeschweißt ist.

Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben wurden, sind zahlreiche Veränderungen und Modifikationen innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung für den Fach- mann denkbar.

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Claims

Patentansprüche

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1J Piezoelektrische Stimmgabel g e k e η η ζ e i c h net durch einen plattenförmigen Abstimmvibrator (20) aus einer Platte elektrisch leitfähigen ilaterials so gestanzt, dai3 zwei einander gegenüber und nebeneinanderliegende Schenkel (21, 22) und ein dazwischen liegender Steg (23) mit verlängertem Querschnitt entstehen, der Steg (23) im rechten './inkel zur L?.ngsache jedes der Schenkel (21) oder (22) sicn erstreckt und an seinen einander gegenüberliegenden Seiten einstückig mit den entsprechenden Scnenkeln ausgebildet ist, wobei aufyfeiner dereinander gegenüberliegenden Seitenflächen des Abstimmvibrators (2ü) wenigstens eine piezoelektrische Sicht (25) durch ein Plattierverfahren aus der Gasphase aufgebracht ist und wobei wenigstens eine Slektroüenschicht (26) auf der piezoelektrischen Schicht (25) aufge-

BANK DRESDNER BANK. HAMBURG. 4 030 448 (BLZ ?00 800 001 POSTSCHE

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bracht ist, die zwei einander gegenüberliegende Schenkelbereiche (26a) und (26b) aufweist, von denen jeder so angeordnet ist, daß seine Längsachse auf einer der beiden Seiten der gedachten, auf halber Breite verlaufenden Mittellinie (X) des zugehörigen Schenkels (21 bzw. 22) und parallel zur Längsachse des Schenkels verläuft.
2. Piezoelektrische Stimmgabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dai3 die Schenkelbereiche (26a, 2bb) zur Gänze auf der einen Seite der iiittellinie

(X) des zugehörigen Schenkels liegen.
3. Piezoelektrische Stimmgabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die eine Seite die jeweils dem Ausschnitt (24) der Stimmgabel benachbarte Seite der Hittellinie (X) des jeweiligen Schenkels (21, 22) ist.
k. Piezoelektrische Stimmgabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die eine Seite jeweils die vom Ausschnitt der Stimmgabel entfernte Seite der Mittellinie (X) des jeweiligen Schenkels (21, 22) ist.
5. Piezoelektrische Stimmgabel nach einem der Ansprüche 2ü 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß auf der piezoelektrischen Schicht (25) eine zusätzliche Elektrodenschicht (31) im Abstand zu der wenigstens einen Elektrodenschicht (30) angeordnet ist, die zwei einander gegenüber-

liegende Schenkel (31a) und (31b) aufweist, deren Längsachsen in bezug zur gedachten nittellinie (X) auf der anderen der einander gegenüberliegenden Seiten des zurehörigen Schenkels (21) oder (22) liegen.
6. Piezoelektrische Stimmgabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß auf der anderen der einander gegenüberliegenden Seitenflächen des Abstimmvibrators (20) eine zusätzliche piezoelektrische Schicht (33) durch ein Plattierverfahren aus der Pasphase aufgebracht ist, auf der eine zusätzliche Elektrodenschicht

(35) mit zwei einander gegenüberliegenden Schenkeln angeordnet ist, deren Längsachsen in bezug zur gedachten Mittellinie (X) auf der anderen der einander gegenüberliegenden Seiten des zugehörigen Schenkels vom Ausschnitt (24) abgev/andt liegen.
7. Verfahren zur Herstellung einer piezoelektrischen Stimmgabel, gekennzeichnet durch Ausstanzen einer Platte aus elektrisch leitendem Material zu einem plattenähnlichen Abstimmvibrator (20) mit zwei einander gegen und nebeneinanderliegenden Schenkeln (21) und (22) und einem dazwischen liegenden, einen verlängerten Querschnitt aufweisenden Steg (23); Aufbringen durch ein Plattierverfahren aus der Gasphase von wenigstens einer piezoelektrischen Schicht (25) auf einer der einander gegenüberliegenden Seitenflächen des Abstimmvibrators (20); und Auf-

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bringen wenigstens einer Elektrodenschicht (26) auf der piezoelektrischen Schicht (25)» wobei die Elektrodenschicht (26) zwei einander gegenüberliegende Schenkel (26a) und (26b) aufweist, deren Längsachsen in bezug zur gedachten Mittellinie (X) und parallel zur Längsachse des zugehörigen Schenkels (21) oder (22) auf einer der einander gegenüberliegenden Seiten des zugehörigen Schenkels (21) oder (22) liegen.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch g e k e η η zeichnet, daß durch ein Plattierverfahren aus der Gasphase eine zusätzliche piezoelektrische Schicht (33) auf der anderen der einander gegenüberliegenden Seitenflächen aufgebracht wird, auf der eine zusätzliche Elektrodenschicht (35) aufgebracht wird, deren einander gegenüberliegende Schenkel in bezug zur gedachten Mittellinie (X) jeweils auf der anderen der einander gegenüberliegenden Seiten des zugehörigen Schenkels (21) oder (22) liegen.

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