DE4321949C2 - Vibratoreinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vibratoreinheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind verschiedenartige Vibratoreinheiten, wie etwa Piezo-Resonatoren, Ultraschallgeber, Kristalloszillatoren und dergleichen, bekannt, in denen die Schwingung eines Vibrators ausgenutzt wird, und die in verschiedenen An­ wendungsgebieten eingesetzt werden.

In einer solchen Vibratoreinheit muß der Vibrator so gehalten werden, daß seine Schwingung nicht behindert wird. Zu diesem Zweck ist allgemein versucht worden, den Vibrator durch ein Federelement, wie etwa eine Schrauben­ feder, oder durch elastisches Material, wie etwa Gummi, zu halten.

Wenn der Vibrator durch ein Federelement gehalten wird, ergibt sich jedoch eine komplizierte Halteanordnung mit einer erhöhten Anzahl von Bautelen. Außerdem kann auch ein Federelement die von dem Vibrator übertragenen Schwingungen nicht zuverlässig absorbieren, so daß es unter Umständen nicht möglich ist, den Vibrator mit einer gewünschten Frequenz schwingen zu lassen.

Wenn andererseits der Vibrator durch ein elastisches Material, beispielsweise durch Gummi, gehalten wird, so kann die von dem Vibrator übertragene Schwingung zu einem gewissen Grad absorbiert werden. In diesem Fall kann jedoch das elastische Material die Schwingung des Vibrators ungünstig beeinflussen, so daß es unter Umständen ebenfalls nicht möglich ist, den Vibrator mit einer gewünschten Frequenz schwingen zu lassen.

Bei Halteanordnungen mit einem Federelement oder elastischem Material ist es oft schwierig, selektiv nur eine Schwingungskomponente mit einer bestimmten Frequenz oder einer bestimmten Schwingungsmode zu absorbieren, die in der von dem Vibrator erzeugten und auf das Halteelement übertragenen Schwingung enthalten ist. Um gezielt nur eine Komponente der Schwingung des Vibrators mit einer bestimmten Frequenz oder Mode auszunutzen, sollten vorzugsweise Schwingungskomponenten mit anderen Frequenzen oder Moden soweit wie möglich beseitigt werden. Es ist oft jedoch schwierig, solche unerwünschten oder unbenötigten Schwingungskomponenten wirksam zu unterdrücken.

Andererseits sind Vibratoreinheiten, wie etwa eine Stimmgabel oder ein Piezo-Resonator, bekanntgeworden, die einen Schwinger aufweisen, der gezielt Schwingungen mit einer bestimmten Frequenz erzeugt. In einer solchen Einheit muß das als Schwingungsquelle dienende Element, also etwa die Stimm­ gabel, so gehalten werden, daß seine Schwingung nicht unterdrückt wird.

In einem als Piezo-Einheit ausgebildeten Vibrator im Kilohertzbereich werden üblicherweise die folgenden Typen von Schwingungsquellen eingesetzt: ein Resonator, der mit einer Dehnungsschwingungsmode einer rechteckigen piezoelektrischen Platte arbeitet, ein Resonator, der mit einer Längsschwingungsmode eines stabförmigen piezoelektrischen Elements arbeitet, so daß sich das stabförmige Element in Längsrichtung ausdehnt und zusammenzieht, und ein piezo­ elektrischer Stimmgabelresonator.

Eine Piezo-Einheit wird zu Schwingungen angeregt, wenn eine Spannung an seinen Resonanzschwinger angelegt wird. Um eine solche Piezo-Einheit in der Form eines praktisch verwendbaren Bauelements zu schaffen, muß der Resonanzschwinger so abgestützt werden, daß er nicht an Resonanzschwingungen gehindert wird. Eine Piezo-Einheit mit Energieeinschluß, d. h. ein Vibrator, bei dem die Schwingungsenergie in einem begrenzten Raumbereich eingeschlossen bleibt, kann mechanisch in einem Bereich außerhalb seines Schwingers abgestützt werden, da die Schwingungsenergie in dem schwingenden Teil eingeschlossen bleibt. Im Hinblick auf die praktische Anwendung in einem Produkt ist deshalb eine solche Piezo-Einheit mit Energieeinschluß einfacher einzusetzen, und für Piezo-Einheiten im Kilohertzbereich ist deshalb dieser Typ besonders wünschenswert.

Bei einem piezoelektrischen Stimmgabelresonator läßt sich zwar ein Energieeinschluß erreichen, doch ergibt sich aufgrund von Beschränkungen der Schwingungsmode nur eine Bandbreite im Bereich von 2% der Reso­ nanzfrequenz.

Eine Vibratoreinheit der eingangs genannten Gattung wird in DE 29 39 844 C beschrieben. Die Halteelemente für den Vibrator sind dort an Dämpfungselemente gekoppelt, die als nachgiebige Federelemente ausgebildet sind.

Ähnliche Dämpfungselemente werden auch in JP-A 58-159 014 beschrieben.

Bei einer Vibratoreinheit nach DE-PS 6 64 983 ist der Vibrator in einem scheibenförmigen Träger gehalten, der durch konzentrische Ringe und Zwischenringe gebildet wird. An scharfen Übergängen zwischen den Ringen und den dünneren Zwischenringen wird die Schwingung reflektiert.

Die US-PS 3 490 056 beschreibt eine Vibratoreinheit, deren Vibrator einen an beiden Enden in Halteelemente eingespannten Biegeschwinger und einen Resonator in der Form eines Torsionsschwingers aufweist. Der Biegeschwinger wird in der Mitte im Bereich eines weiteren Schwingungsknotens durch ein stabförmiges Halteelement gehalten, an das der Resonator gekoppelt ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vibratoreinheit zu schaffen, deren mechanischer Vibrator von einem an einem Dämpfungselement angeordneten Halteelement an einem Schwingungsknoten so gehalten wird, daß die Schwingung des Vibrators durch Wechselwirkung mit der Umgebung nicht nennenswert behindert wird.

Diese Aufgabe wird mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Erfindungsgemäß umfaßt die Vibratoreinheit außer dem eigentlichen Vibrator ein Halteelement, das an den Vibrator an oder in der Nähe einer Stelle gekoppelt ist, an der die Auslenkung des schwingenden Vibrators minimal ist, und einen Resonator, der so an das Halteelement gekoppelt ist, daß er durch die Schwingung des Vibrators zu Resonanzschwingungen angeregt wird. Hierzu ist der Resonator an einer Stelle an das Halteelement gekoppelt, da dieses keinen Schwingungsknoten hat, solange der Resonator nicht angekoppelt ist.

Der Bereich des Vibrators, der an der oder in der Nähe der Stelle mit der minimalen Auslenkung liegt, kann der Bereich eines Schwingungsknotens des Vibrators sein und schließt einen Bereich ein, in dem oder in dessen Nähe bei der Kopplung mit dem Schwingungs­ übertragungsteil ein Schwingungsknoten entsteht.

Da bei dieser Vibratoreinheit das Halteelement an oder in der Nähe einer Stelle mit minimaler Auslenkung an den Vibrator gekoppelt ist, wird die Schwingung des Vibrators durch die Kopplung mit dem Halteelement kaum beeinträchtigt.

Außerdem wird aufgrund dieser Art der Kopplung allenfalls ein geringer Teil der Schwingung des Vibrators auf das Halteelement übertragen. Der Resonator, der mit dem Halteelement gekoppelt ist, nimmt die durch das Halteelement übertragene Leckschwingung auf und wird hierdurch zu Resonanzschwingungen angeregt.

Auf diese Weise wird die Schwingung, die sich durch das Halteelement ausbreitet, durch die Resonanz des Resonators wirksam ausgelöscht, wie in der folgenden Beschreibung näher erläutert wird. Wenn der Bereich des Resonators, der die minimale Auslenkung aufweist, für die Kopplung an andere Teile ausgewählt wird, so wird folglich die Schwingung in der erfindungsgemäßen Vibratoreinheit kaum durch diese anderen Teile behindert.

Anders ausgedrückt bedeutet dies, die Schwingung wird in einem Bereich zwischen dem Vibrator und dem Resonator eingeschlossen, wodurch die Schwingung des Vibrators selbst dann kaum beeinflußt wird, wenn der Resonator mechanisch durch ein anderes Bauteil gehalten wird. So kann eine Schwingung des Vibrators mit einer gewünschten Frequenz in einer gewünschten Schwingungsmode ermöglicht werden, ohne daß ein Feder­ element oder elastisches Material zum Halten benötigt wird.

Die Wirkung des Resonators, die vom Vibrator auf das Halteelement übertragene Schwingung auszulöschen, wird verständlich durch das bekannte sogenannte Phänomen der dynamischen Schwingungs­ dämpfung. Kurz gefaßt, besteht dieses Phänomen darin, daß ein Hauptschwinger, dessen Schwingung verhindert werden soll, durch einen Sekundärschwinger an der Schwingung gehindert wird, wenn der Sekundärschwinger mit einer geeignet gewählten Eigenfrequenz an den Hauptschwinger gekoppelt ist. Der Resonanzteil der Vibratoreinheit entspricht dem Sekundärschwinger bei der dynamischen Schwingungsdämpfung, so daß die vom Vibrator über den Schwingungsübertragungsteil übertragene Schwingung durch den Resonanzteil aufgrund der dynamischen Schwingungsdämpfung unterdrückt wird.

Es ist möglich, bei der Konstruktion einer Vibratoreinheit, wie etwa eines Piezo-Resonators, eines Ultraschallmotors oder einer Einheit mit einem Kristalloszillator, gezielt eine Schwingung des Vibrators zuzulassen. So kann eine Vibratoreinheit geschaffen werden, die die gewünschte Frequenz- und Betriebscharakteristik aufweist.

Gemäß einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist eine piezo­ elektrische Vibratoreinheit mit einer Piezo-Einheit als Vibrator vorgesehen.

Wenn für die Piezo-Einheit eine geeignete Struktur gewählt wird, bei der beispielsweise eine Längsschwingungsmode oder eine Dehnungs­ schwingungsmode einer rechteckigen Platte benutzt wird, so ist es möglich, einen Vibrator mit Energieeinschluß zu schaffen, der ein breites Fre­ quenzband abdeckt und im Kilohertzbereich sowie bis zu einigen Megahertz eingesetzt werden kann.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Piezo-Vibratoreinhheit, bei der mit einer Longitudinalwelle der Piezo-Einheit gearbeitet wird, ist der Resonator an einer Stelle an den Schwingungsübertra­ gungsteil gekoppelt, an der sich kein Schwingungsknoten befindet, wenn der Resonator nicht angekoppelt ist und das Halteelement durch die von der Piezo-Resonanzeinheit übertragene Schwingung angeregt wird. Bei dieser Anordnung wird eine relativ starke Schwingung, die von dem Halteelement auf den Resonator übertragen wird, durch die dynamische Schwingungsdämpfung wirksam ausgelöscht.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Resonator so ausgebildet, daß seine Resonanzfrequenz im wesentlichen mit derjenigen der vom Vibrator auf den Resonator übertragenen Schwingung übereinstimmt, so daß die übertragene Schwingung durch die dynamische Schwingungsdämpfung wirksam ausgelöscht werden kann.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhandd der Zeichnungen näher erläutert.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Grundprinzips der Erfindung;

Fig. 2 eine teilweise aufgeschnittene Frontansicht einer Testeinrichtung zur Darstellung des Prinzips der Erfindung;

Fig. 3 eine mit der Testeinrichtung nach Fig. 3 aufgenommene Auslenkungs-Zeit-Kurve;

Fig. 4 eine mit der Testeinrichtung ohne Resonator auf­ genommene Auslenkungs-Zeit-Kurve;

Fig. 5 eine teilweise aufgeschnittene Frontansicht einer Vibratoreinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 6(a) und 6(b) Blockdiagramme zur Illustration von Abwandlungen des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 7 eine teilweise aufgeschnittene Frontansicht einer Vibratoreinheit entsprechend Fig. 6(a),

Fig. 8 ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 9(a) und 9(b) Grundrißskizzen eines Piezo-Resonators gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie einer auf der Unterseite eines piezoelektrischen Substrats des Resonators angebrachten Elektrode;

Fig. 10 eine teilweise aufgeschnittene Grundrißdarstellung einer Anordnung aus einer Piezo-Resonanzeinheit für Longitudinalschwingungen, mit einem daran gekoppelten Stab;

Fig. 11 eine teilweise aufgeschnittene Grundrißdarstellung einer weiteren Anordnung aus einer Piezo- Resonanzeinheit für Longitudinalschwingungen, mit einem daran gekoppelten Resonanzteil;

Fig. 12(a) und 12(b) die Verteilung und die Absolutbeträge von Aus­ lenkungen längs einer X-Achse bei der Anordnung nach Fig. 10;

Fig. 13 die Verteilung der Auslenkungen bei der Anordnung nach Fig. 11;

Fig. 14 die Absolutbeträge von Auslenkungen in X-Richtung in Abhängigkeit von der Position auf der X-Achse, gemessen für eine Grundschwingung der Piezo- Resonanzeinheit und eine Grundschwingung des Resonanzteils im Biegemodus;

Fig. 15 eine Auslenkungskurve entsprechend Fig. 14 für den Fall, daß die Resonanzfrequenzen der Piezo- Resonanzeinheit und des Resonanzteils übereinstimmen;

Fig. 16 bis 19 Auslenkungskurven entsprechend Fig. 14 für unterschiedliche Abmessungen des Resonanzteils;

Fig. 20 die Auslenkungsverteilung für den Fall, daß die Piezo- Resonanzeinheit und der Resonanzteil jeweils in der zweiten Oberschwingung angeregt sind;

Fig. 21 die Auslenkungskurve in Abhängigkeit von der Position auf der X-Achse für die Schwingung nach Fig. 20;

Fig. 22 und 23 Auslenkungskurven entsprechend Fig. 21 für unterschiedliche Abmessungen des Resonanzteils;

Fig. 24 die Auslenkungsverteilung für den Fall, daß die Piezo- Resonanzeinheit in der Grundschwingung und der Resonanzteil in der zweiten Oberschwingung im Biegemodus angeregt ist;

Fig. 25 die Auslenkungskurve für die Schwingung nach Fig. 24;

Fig. 26 und 27 Auslenkungskurven entsprechend Fig. 25 für unterschiedliche Abmessungen des Resonanzteils;

Fig. 28 den Auslenkungszustand eines Schwingungsüber­ tragungsteils bei der Anordnung nach Fig. 11;

Fig. 29 bis 32 Auslenkungskurven für unterschiedliche Abstände P in Fig. 11, wobei Fig. 31 den Spezialfall zeigt, daß der Abstand P einem Schwingungsknoten entspricht;

Fig. 33 eine Grundrißskizze einer Abwandlung des Piezo- Resonators nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 34 eine Grundrißskizze einer weiteren Abwandlung des Piezo-Resonators nach dem zweiten Ausführungsbeispiel mit mehreren Resonanzteilen;

Fig. 35(a) und 35(b) Grundrißskizzen eines Piezo-Resonators gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung und einer auf der Unterseite einer piezoelektrischen Platte desselben angebrachten Elektrode;

Fig. 36 eine perspektivische Ansicht eines elektronischen Bauelements, das einen Piezo-Resonator enthält und mit Leitungsanschlüssen und einem schützenden Kunststoffkörper versehen ist;

Fig. 37 eine Explosionsdarstellung eines chipförmigen Piezo- Resonanzbauelements mit einem Piezo-Resonator gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 38 eine perspektivische Ansicht des Bauelements nach Fig. 37;

Fig. 39 eine Explosionsdarstellung eines chipförmigen Piezo- Resonanzbauelements mit einem Piezo-Resonator nach dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 40 eine perspektivische Ansicht des Bauelements nach Fig. 39.

Das Grundprinzip der Erfindung ist schematisch in einem Blockdiagramm in Fig. 1 veranschaulicht.

Es soll angenommen werden, daß ein Vibrator 1a eine mechanische Schwingung ausführt und dabei abwechselnd die in durchgezogenen Linien und in strichpunktierten Linien in Fig. 1 eingezeichneten Zustände annimmt. In diesem Fall weist im oszillierenden Zustand des Vibrators 1a ein in Längsrichtung gesehen zentraler Bereich 1b desselben die kleinste Auslenkung auf. Ein Halteelement 1c ist an diesen zentralen Bereich 1b gekoppelt.

Da das Halteelement 1c an den zentralen Bereich 1b gekoppelt ist, der die kleinste Auslenkung aufweist, wird die Schwingung des Vi­ brators 1a durch diese Kopplung mit dem Halteelement 1c nicht stark unterdrückt. Andererseits ist das Halteelement 1c mit einem Resonator 1d gekoppelt, der dazu eingerichtet ist, die über das Halteelement 1c übertragene Schwingung aufzunehmen, und dadurch zu Resonanzschwingungen angeregt wird. Die Schwingung des Vibrators 1a wird zwar kaum auf das Halteelement übertragen, weil dieses an den zentralen Bereich 1b gekoppelt ist, der nur eine sehr kleine Auslenkung erfährt, docvh wird gleichwohl eine kleine Leckschwingung auf den Resonator 1d übertragen, der dadurch zu Resonanz angeregt wird.

Andererseits wird die Schwingungsenergie, die sich durch das Halteelement 1c fortpflanzt, durch die Resonanz des Resonators 1d ausgelöscht. Folglich ist es möglich, die in Fig. 1 gezeigte Vibratoreinheit me­ chanisch so zu halten, daß der Vibrator 1a nicht am Schwingen gehindert wird, indem ein Bereich des Resonators 1d, der die kleinste Auslenkung aufweist, mit der Umgebung gekoppelt wird.

Das oben genannte Phänomen der Auslöschung des Leckanteils der Schwingung durch Resonanz des Resonators soll nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 2 bis 4 erläutert werden.

Fig. 2 ist eine teilweise aufgeschnittene Frontansicht einer Versuchsanordnung zur Aufklärung des Prinzips der Erfindung. Gemäß Fig. 2 ist eine Tragstange 4 aufrecht auf einer oberen Oberfläche einer Schwingungs-Testeinrichtung (Vibrator) 3 angeordnet. Ein Stahlstab 5, der in einem Biegemodus vibrieren kann, ist an einem in Vertikalrichtung mittleren Bereich der Tragstange 4 befestigt. Bei dem Stahlstab 5 handelt es sich um ein aus Stahl hergestelltes stabförmiges Element mit 180 mm Länge, 12 mm Breite und 15 mm Dicke mit einem Gewicht von 240 g und einer Resonanzfrequenz von etwa 1 kHz im Biegemodus. Bei der Tragstange 4 handelt es sich um ein säulenförmiges Element aus Stahl mit einem Durchmesser von 8 mm, das durch ein Loch in der Mitte des Stahlstabes 5 hindurchgesteckt ist. Der Stahlstab 5 und die Tragstange 4 sind in dem in Fig. 2 gezeigten Zustand aneinander befestigt. Somit entspricht die Schwingungs-Testeinrichtung 3 einem Vibrator, und der Stahlstab 5 entspricht einem Resonator, während ein unterhalb des Stahlstabes 5 liegender Teil der Tragstange 4 einem Halteelement entspricht.

Wenn man die Schwingungs-Testeinrichtung 3 in Vertikalrichtung mit einer Frequenz von 1 kHz vibrieren ließ, wie durch den Pfeil in Fig. 2 gezeigt wird, so führte der Stahlstab 5 eine Resonanzschwingung im Biegemodus aus, wodurch das obere Ende 4a der Tragstange 4 in der in Fig. 3 gezeigten Weise ausgelenkt wurde. Gemäß Fig. 3 war der Betrag ΔB der Auslenkung etwa 2,6 µm. Zum Vergleich wurde eine Tragstange 4 in aufrechter Stellung ohne Stahlstab 5 auf einer ähnlichen Schwingungs-Testeinrichtung 3 angeordnet, und man ließ die Schwingungs-Testeinrichtung 3 in ähnlicher Weise vibrieren, wie oben beschrieben wurde. In diesem Fall wurde das obere Ende 4a der Tragstange 4 durch die Schwingung im Biegemodus in der in Fig. 4 gezeigten Weise in Querrichtung ausgelenkt, und der Betrag ΔA der Auslenkung war etwa 22,6 µm.

Aus einem Vergleich der Fig. 3 und 4 geht hervor, daß die von der Schwingungs-Testeinrichtung 3 durch die Tragstange 4 übertragene Schwingung durch den Stahlstab 5 ausreichend gedämpft wurde.

Im Hinblick auf die Möglichkeit, daß die Schwingung durch die Masse des Stahlstabes 5 gedämpft wurde, führten die Erfinder ein weiteres Experiment durch, in dem sie die Frequenz der Schwingung so änderten, daß keine Resonanz des Stahlstabes 5 auftrat. Im Ergebnis wurde bestätigt, daß der Betrag der Auslenkung des oberen Endes 4a der Tragstange 4 nicht in der in Fig. 3 gezeigten Weise unterdrückt wurde. Es zeigt sich somit, daß die übertragene Schwingung nicht nur durch das Gewicht des Stahlstabes 5 gedämpft wurde, sondern daß diese Schwingung durch das oben erwähnte Phänomen der dy­ namischen Schwingungsdämpfung ausgelöscht wurde.

Fig. 5 ist eine teilweise aufgeschnittene Frontansicht einer Vibratoreinheit 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Vibratoreinheit 10 gemäß diesem Ausführungsbeispiel umfaßt einen Vibrator 11, der bei der Schwingung in Richtung der Pfeile A in Fig. 5 gestreckt und gestaucht wird. Daher weisen die zentralen Bereiche der oberen und unteren Oberflächen 11a und 11b an dem Vibrator 11 die kleinste Auslenkung auf. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine als Halteelement dienende Tragstange 13 an den zentralen Bereich 12 der unteren Oberfläche 11b gekoppelt. Ein Resonator 14 ist an ein unteres Ende der Tragstange 13 gekoppelt.

Der Resonator 14 ist so ausgebildet, daß er sich waagerecht über das untere Ende der Tragstange 13 erstreckt und Resonanzschwingungen in einem Biegemodus ausführen kann. Bei einem solchen Resonator 14 stimmt die Resonanzfrequenz in dem genannten Biegemodus vorzugsweise mit der Oszil­ lationsfrequenz des Vibrators 11 überein, so daß der Leckanteil der Schwingung in dem Resonanzteil 14 aufgrund der dynamischen Schwingungsdämpfung wirksam weiter unterdrückt werden kann. Bei dem Resonator 14, der im Biegemodus schwingt, wie durch Pfeile B in Fig. 5 gezeigt wird, weist der in waagerechter Richtung gesehen zentrale Bereich die kleinste Auslenkung auf. Aus diesem Grund ist ein Kopplungsstab 15 an den unteren zentralen Bereich des Resonators 14 gekoppelt. Auf diese Weise wird die Schwingung, die sich durch die als Halteelement dienende Tragstange 13 ausbreitet, durch den Resonator 14 so weit gedämpft, daß die Schwingung kaum auf den Kopplungsstab 15 übertragen wird. Der Vibrator 11 wird deshalb auch dann nicht an seiner Schwingung gehindert, wenn der Kopplungsstab 15 an einem Gestell 16 der Einheit befestigt ist.

Die als Halteelement dienende Tragstange 13, die Schwingung des Vibrators 11 vorzugsweise nicht behindert, kann aus einem steifen Material hergestellt sein, da die übertragene Schwingungsenergie durch die Wirkung des Resonators 14 ausgelöscht wird.

Wie oben beschrieben wurde, wird die übertragene Schwingungsenergie durch den Resonator 14 wegen der dynamischen Schkwingungsdämpfung ausgelöscht, da der Resonator 14 als Sekundär­ schwinger bei der oben beschriebenen bekannten dynamischen Schwin­ gungsdämpfung dient. Somit ist der Resonator 14 in der Vibratoreinheit so ausgebildet, daß er eine positive Ausnutzung des Phänomens der dynamischen Schwingungsdämpfung ermöglicht, wodurch die Schwingung des Vibrators 11 in einem bis zu dem Resonator 14 reichenden Abschnitt eingeschlossen oder eingefangen werden kann, ohne daß der Vibrator 11 an einer Schwingung gehindert wird.

Fig. 6(a) und 6(b) sind schematische Blockdiagramme zur Veranschau­ lichung von typischen Prinzipien von Vibratoreinheiten mit Energieeinschluß gemäß Abwandlungen des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In Fig. 6(a) wird eine Schwingungsquelle 21a durch ein geeignetes schwingungserzeugendes Element gebildet, beispielsweise durch einen Motor, einen Kompressor, einen Piezo-Resonator oder eine Stimmgabel. Ein Halteelement 21b ist mit dieser Schwingungsquelle 21a gekoppelt. Das Halteelement 21b, das einfach so ausgebildet sein kann, daß es die in der Schwingungsquelle 21a erzeugte Schwingung aufnehmen kann, ist zweckmäßigerweise in der Form einer Stange oder einer Platte ausgebildet. Um eine höhere Dämpfungswirkung zu erreichen, ist das Halteelement 21b vorzugsweise aus einem Material wie etwa Gummi hergestellt, das als solches schwingungsdämpfende Eigenschaften hat. Alternativ kann das Halteelement 21b aus einem starren Material, etwa aus Metall, hergestellt sein.

Ein erster Resonator 21c ist mit dem anderen Ende des Halteelements 21b gekoppelt. Der erste Resonator 21c ist so ausgebildet, daß er die Schwingung, die sich von der Schwingungsquelle 21a durch das Halteelement 21b ausbreitet, aufnimmt und zu Resonanzschwingungen angeregt wird. Weiterhin ist ein zweiter Resonator 21d an das andere Ende des ersten Resonators 21c gekoppelt. Der zweite Resonator 21d ist so ausgebildet, daß er die Schwingung aufnimmt, die sich durch das Halteelement 21b und den ersten Resonator 21c ausbreitet, und dadurch zu Resonanzschwingungen angeregt wird.

Die ersten und zweiten Resonatoren 21c und 21d sind so ausgebildet, daß sie in Resonanz in ihren Eigenschwingungsmoden schwingen können, etwa im Biegemodus, Längsschwingungsmodus und dergleichen, wobei ihre Reso­ nanzfrequenzen und/oder ihre Schwingungsmoden voneinander verschieden sind. Die Resonanzfrequenzen und/oder Schwingungsmoden der ersten und zweiten Resonatoren 21c und 21d sind so gewählt, daß verschiedene Schwingungskomponenten gedämpft werden. Im einzelnen haben die Resonatoren 21c und 21d die Wirkung, spezielle Schwingungskomponenten durch dynamische Schwingungsdämpfung aufgrund ihrer Resonanzfrequenzen und/oder Schwingungsmoden auszulöschen. Im allgemeinen erzeugt die Schwingungsquelle 21a eine gekoppelte Schwingung, die Schwingungs­ komponenten verschiedener Moden und Frequenzen enthält. Indem mehrere Resonanzteile 21c und 21d vorgesehen werden, die Resonanz bei verschiedenen Resonanzfrequenzen und/oder in verschiedenen Schwingungsmoden zeigen, ist es somit möglich, solche von der Schwingungsquelle 21a ausgehende gekoppelte Schwingungen wirksam weiter zu dämpfen.

Die Schwingungsquelle 21a kann bei einer speziellen Frequenz und in einer bestimmten Schwingungsmode mit sehr hoher Amplitude vibrieren. In diesem Fall ist es möglich, die spezielle Schwingung mit der hohen Schwin­ gungsamplitude wirksam zu dämpfen, indem die Resonatoren 21c und 21d so ausgebildet werden, daß ihre Resonanzfrequenzen mit der speziellen Frequenz dieser Schwingung übereinstimmen.

Während in Fig. 6(a) die ersten und zweiten Resonatoren 21c und 21d über ein und dasselbe Halteelement 21b mit der Schwingungsquelle 21a gekoppelt sind, ist es auch möglich, diese mehreren Resonatoren mit verschiedenen Halteelementen zu koppeln. So können erste und zweite Resonatoren 21f und 21h mit der Schwingungsquelle 21a über verschiedene Halteelemente 21e bzw. 21g gekoppelt sein, wie in Fig. 6(b) gezeigt ist.

Fig. 7 ist eine teilweise aufgeschnittene Frontansicht einer Vibratoreinheit mit Energieeinschluß nach dem in Fig. 6(a) gezeigten Prinzip.

Bei dieser Anordnung dient ein Motor 22a als Schwingungsquelle, und ein Tragteil 22b ist mit einer unteren Oberfläche des Motors 22a gekoppelt und dient als Halteelement. Eine Resonanzplatte 22c, die einen ersten Resonator bildet, ist einstückig am unteren Ende des Tragteils 22b ausgebildet. Die Resonanzplatte 22c, die sich rechtwinklig zur Zeichenebene in Fig. 7 erstreckt, ist so ausgebildet, daß sie die durch das Tragteil 22b übertragenen Schwingungen aufnimmt und in Resonanz in einem Biegemodus schwingt.

Weiterhin ist ein zweites Tragteil 22d, das als weiteres Halteelement dient, an die untere Oberfläche der Resonanzplatte 22c gekoppelt, und eine zweite Resonanzplatte 22e ist mit dem unteren Ende des zweiten Tragteils 22d gekoppelt. Die zweite Resonanzplatte 22e, die sich rechtwinklig zur Zeichenebene in Fig. 7 erstreckt, hat eine von der ersten Resonanzplatte 22c verschiedene Größe. Somit schwingt die Resonanzplatte 22e in Resonanz bei einer anderen Frequenz als die erste Resonanzplatte 22c.

Ein drittes Tragteil 22f ist mit einer unteren Oberfläche der zweiten Resonanzplatte 22e gekoppelt. Die untere Oberfläche des dritten Tragteils 22f ist an einer Bodenfläche 22g befestigt.

Bei der Vibratoreinheit mit Energieeinschluß mit dem oben beschriebenen Aufbau wird die Schwingung des Motors 22a auf das erste Tragteil 22b übertragen, und die erste Resonanzplatte 22c wird durch die über das erste Tragteil 22b übertragenen Schwingungen zu Resonanzschwingungen angeregt. Weiterhin wird die zweite Resonanzplatte 22e durch die über die erste Resonanzplatte 22c und das zweite Tragteil 22d übertragenen Schwingungen zu Resonanzschwingungen angeregt. Die ersten und zweiten Resonanzplatten 22c und 22e, die auf voneinander verschiedene Resonanzfrequenzen eingestellt sind, beseitigen durch dynamische Schwingungsdämpfung wirksam diejenigen Komponenten der vom Motor 22a auf das Tragteil 22b übertragenen Schwingung, die in ihrer Frequenz mit den Resonanzfrequenzen der ersten und zweiten Resonanzplatten 22c und 22e übereinstimmen.

Wenn die Schwingung, die von dem als Schwingungsquelle dienenden Motor 22a erzeugt wird, Schwingungskomponenten mit hoher Amplitude bei zwei speziellen Frequenzen enthält, ist es deshalb möglich, die Ableitung von Schwingungen von dem Motor 22a auf die Bodenfläche 22g wirksam zu verhindern, indem die ersten und zweiten Resonanzplatten 22c und 22e mit Resonanzfrequenzen versehen werden, die mit diesen speziellen Frequenzen übereinstimmen.

Ausführungsbeispiel einer Piezo-Vibratoreinheit

Fig. 8 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Piezo-Vibratoreinheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei dieser Piezo-Vibratoreinheit ist ein Halteelement 31b an eine Piezo-Einheit 31a gekoppelt, und ein Resonator 31c ist an dem Halteelement 31b gekoppelt. Die Piezo-Einheit 31a ist so ausgebildet, daß sie in einem Eigenschwingungsmodus erregt werden kann, beispielsweise in einem Längsschwingungsmodus, einem Umriß-Scherschwingungsmodus, einem Dehnungs-Schwingungsmodus und dergleichen. Das Halteelement 31b ist so ausgelegt, daß es Schwingungen übertragen kann, die sich von der Piezo-Einheit 31a zu dem Resonator 31c ausbreiten. Hinsichtlich des Aufbaus des Halteelements 31b als solchem bestehen deshalb keine besonderen Einschränkungen, sofern dieses die Piezo-Einheit 31a abstützen und ihre Schwingung auf den Resonator 31c übertragen kann.

Der Resonator 31c ist so ausgebildet, daß er die Schwingungen aufnimmt, die sich durch das Halteelement 31b ausbreiten, und daß er hierdurch zu Resonanzschwingungen angeregt wird. Der Resonator 31c, der so gestaltet ist, daß er in einem Eigenschwingungsmodus wie etwa einem Biegemodus schwingt, löscht durch dynamische Schwingungsdämpfung die übertragene Schwingung aus, wie weiter unten unter Bezugnahme auf Ver­ suchsbeispiele und Ausführungsbeispiele beschrieben wird.

Ausführungsbeispiel einer Piezo-Vibratoreinheit mit Längsschwingungsmode

Fig. 9(a) und 9(b) sind Grundrißskizzen und zeigen eine Piezo-Vibratoreinheit 41 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie die Form einer Elektrode, die auf einer Unterseite eines piezoelektrischen Substrats ausgebildet ist. Die Piezo-Vibratoreinheit 41 besitzt eine Piezo-Einheit 42, die in einem zentralen Bereich angeordnet ist. Diese Piezo-Einheit 42 wird durch ein piezoelektrisches Substrat gebildet, das ein­ heitlich in Richtung seiner Dicke polarisiert ist, die Form einer langgestreckten rechteckigen Platte hat und mit Elektroden 42a und 42b auf beiden Hauptflächen versehen ist. Eine Wechselspannung wird so an die Elektroden 42a und 42b angelegt, daß die Piezo-Einheit 42 in einer Längsschwingungsmode gedehnt und gestaucht wird.

Ein Halteelement 43 ist an eine Seite eines Längs-Zentralbereichs der Piezo-Einheit 42 gekoppelt. Das Halteelement 43 ist dazu eingerichtet, eine durch die Dehnungsschwingung der Piezo-Einheit bedingte Schwingung auf einen später beschriebenen Resonator 44 zu übertragen. Das Halteelement 43 ist an den Längs-Zentralbereich der Piezo-Einheit 42 gekoppelt, so daß es die Schwingung der Piezo-Einheit 42 nicht behindert.

Das andere Ende des Halteelements 43 ist mit dem Resonator 44 gekoppelt, der so gestaltet ist, daß er die Schwingung der Piezo- Einheit 42 aufnimmt und in Resonanz im Biegemodus mit einer Frequenz schwingt, die im wesentlichen mit der Resonanzfrequenz der Piezo- Einheit 42 übereinstimmt. Das mit dem Resonator 44 gekoppelte andere Ende des Halteelements 43 liegt außerhalb eines Schwingungsknotens des Halteelements 43. Weiterhin ist ein Halteteil 46 mit einer relativ großen Fläche über einen Kopplungsstab 45 mit dem Resonator 44 gekoppelt. Der Halteteil 46 weist eine relativ große Fläche auf, wie in der Zeichnung zu erkennen ist, so daß er in der Lage ist, die Piezo-Vibratoreinheit 41 mechanisch an einem anderen Teil, beispielsweise einem Gehäuse-Substrat zu halten.

Die Elektrode 42a ist durch eine Leiterbahn 47a elektrisch mit einer Klemmenelektrode 48a verbunden, die auf einer oberen Oberfläche des Halteteils 46 ausgebildet ist.

Weiterhin sind ein Halteelement 49, ein Resonator 50, ein Kopplungsstab 51 und ein Halteteil 52 an die Seite der Piezo-Einheit 42 angekoppelt, die der an das Halteelement 43 gekoppelten Seite gegenüberliegt. Wie in Fig. 9(b) gezeigt ist, sind eine Leiterbahn 47b und eine Klemmenelektrode 48b, die elektrisch mit der Elektrode 42b verbunden sind, auf der Unterseite des Halteelements 49, des Resonators 50, des Kopplungsstabes 51 und des Halteteils 52 ausgebildet.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine Wechselspannung an die Klemmenelektroden 48a und 48b angelegt, so daß die Piezo-Einheit 42 in einer Längsschwingungsmode oszillierend gedehnt und gestaucht wird. Diese Schwingung wird folglich über die Halteelemente 43 und 49 auf die Resonatoren 44 und 50 übertragen. Die Resonatoren 44 und 50 dienen als Sekundärschwinger bei der oben erwähnten dynamischen Schwingungsdämpfung, wodurch eine Weiter­ leitung der Schwingung zu den Kopplungsstäben 45 und 51 weitgehend unterdrückt wird. Die Schwingungsenergie bleibt daher in dem durch die Resonanzteile 44 und 50 begrenzten inneren Bereich eingeschlossen, wodurch es möglich ist, eine Piezo-Vibratoreinheit 41 mit Energieeinschluß zu schaffen, die in einer Längsschwingungsmode arbeitet und durch die Halteteile 46 und 52 mechanisch mit der Umgebung verbunden ist.

Die Wirkungsweise des Resonators 44 soll nunmehr anhand des Ergebnisses eines praxisnahen Experiments beschrieben werden.

Fig. 10 zeigt eine zu Vergleichszwecken geschaffene Anordnung mit einer Piezo-Einheit 55, die so ausgebildet ist, daß sie in einer Längs­ schwingungsmode oszillieren kann, und mit einem Stab 56, der an einen zentralen Bereich einer seitlichen Oberfläche der Piezo-Einheit 55 gekoppelt ist und sich rechtwinklig zu der Piezo-Einheit 55 erstreckt. Ein weiterer Stab 56 ist an einen zentralen Bereich der anderen seitlichen Oberfläche der Piezo-Einheit 55 gekoppelt.

Fig. 11 zeigt eine Anordnung, die der in Fig. 10 gezeigten ähnelt, jedoch mit einem Resonator 57 versehen ist. Bei der in Fig. 11 gezeigten Anordnung ist der Resonator 57 über ein Halteelement 58 mit der Piezo-Einheit 55 gekoppelt, und ein Stab 59 ist mit einer Oberfläche des Resonators 57 gekoppelt, die der mit dem Halteelement 58 gekoppelten Oberfläche gegenüberliegt. Der Resonator 57 ist somit in einem Zwischenbereich des durch das Halteelement 58 und den Stab 59 gebildeten Teils ausgebildet. Bei der in Fig. 11 gezeigten Anordnung sind Elemente, die den oben beschriebenen ähnlich sind, an die andere seitliche Oberfläche der Piezo-Einheit 55 gekoppelt.

Fig. 11(a) zeigt die Verteilung von Auslenkungen in der in Fig. 10 gezeigten Piezo-Vibratoreinheit, die sich bei der Schwingung der Piezo-Einheit 55 in einer Längsschwingungsmode ergab, und Fig. 12(b) zeigt die Beträge V_X der Auslenkungen in Richtung einer X-Achse in den jeweiligen Abschnitten längs des Stabes 56, d. h. auf der X-Achse.

Hingegen zeigt Fig. 13 die Verteilung der Auslenkungen, die sich bei der Schwingung der Piezo-Einheit 55 in der in Fig. 11 gezeigten Piezo-Vibratoreinheit ergab. Fig. 14 zeigt die Beträge V_X der Auslenkungen in Richtung der X-Achse in den jeweiligen Abschnitten auf der X-Achse.

Aus dem Vergleich der Fig. 12(b) und 14 geht deutlich hervor, daß durch den Resonator 57 die Beträge der durch Schwingungsübertragung verursachten Auslenkungen in dem Abschnitt des Stabes 59 jenseits des Resonators 57 stark verringert wurden, d. h., daß die Schwingungsenergie wirksam in einem bis zu dem Resonator 57 reichenden Bereich eingeschlossen werden kann.

Nachfolgend soll unter Bezugnahme auf Fig. 14 bis 27 erläutert werden, daß die Schwingungsenergie besonders wirksam in einem bis zu dem Resonator reichenden Bereich eingeschlossen werden kann, wenn die Resonanz­ frequenz des Resonators im wesentlichen mit derjenigen der Piezo-Einheit identisch ist.

Wie oben beschrieben wurde, ergibt sich bei der in Fig. 11 gezeigten Anordnung die Verteilung der Auslenkungen nach Fig. 13, wenn die Piezo-Einheit 55 in Schwingungen versetzt wird. Diese Verteilung der Auslenkungen ergibt sich dann, wenn die Piezo-Einheit 55 und der Resonator 57 in Resonanz in ihrer jeweiligen Grundschwingung schwingen.

Fig. 14 bis 19 zeigen die Absolutbeträge der Auslenkungen in X-Richtung in den jeweiligen Abschnitten längs der X-Achse bei Piezo-Einheiten 55, mit 0,6 mm Breite, 4,0 mm Länge und 0,4 mm Dicke und mit einer Resonanzfrequenz von jeweils 422 kHz für unterschiedliche Breiten W und Längen l (Fig. 11) der Resonatoren 57.

Fig. 14 bis 16 zeigen die Absolutbeträge der Auslenkungen bei Resonatoren 57 mit einer Länge l von 0,70 mm und der Breite von 0,55 mm, 0,65 mm bzw. 0,75 mm, und Fig. 17 bis 19 zeigen die Ergebnisse für Resonatoren 57 mit einer Breite W von 0,65 mm und Länge l von 0,65 mm, 0,70 mm bzw. 0,75 mm. Die Längen l und Breiten W der Resonatoren 57 wurden variiert, um die Resonanzfrequenz der Resonatoren 57 zu ändern.

Ein Vergleich der in Fig. 14 bis 19 gezeigten Daten mit den Daten gemäß Fig. 12(b) zeigt, daß die Weiterleitung der Schwingungsenergie durch jeden der Resonatoren 57 mit den oben genannten Abmessungen unterdrückt werden kann.

Weiterhin ist zu erkennen, daß die weitergeleitete Schwingungsenergie besonders wirksam durch die Resonatoren 57 mit den Abmessungen unterdrückt werden kann, die den Fig. 15 und 18 zugrunde lagen. Dies ist dadurch erklärlich, daß die Resonanzfrequenz der Resonatoren 57 im wesentlichen gleich derjenigen der Piezo-Einheit 55 war, so daß die Weiterleitung der Schwingungsenergie durch dynamische Schwingungsdämpfung wirksam unterdrückt wurde.

Nachfolgend wird die Wirkung des Resonators 57 für den Fall beschrieben, daß die Piezo-Einheit 55 und der Resonator 57 bei der in Fig. 11 gezeigten Anordnung in der zweiten Oberschwingung angeregt wurden. Fig. 20 zeigt die Verteilung der Auslenkungen bei der zweiten Oberschwingung der Piezo-Einheit 55 und der zweiten Oberschwingung des Resonators 57 im Biegemodus. Die in diesem Fall verwendete Piezo- Einheit 55 hatte eine Länge von 4,0 mm, eine Breite von 0,6 mm und eine Dicke von 0,4 mm, so daß Resonanz in der zweiten Oberschwingung bei einer Frequenz von 1237 kHz auftrat. Fig. 21 bis 23 zeigen die Absolutbeträge der Auslenkung in X-Richtung für Resonatoren 57 mit der Länge l von 0,70 mm und den Breiten W von 0,55 mm, 0,65 mm bzw. 0,75 mm.

Ein Vergleich der Fig. 21 bis 23 zeigt, daß die Schwingungsenergie im Fall der Fig. 22 am wirksamsten unterdrückt wurde, was verständlich ist, weil in diesem Fall die Resonanzfrequenz des Resonanzteils 57 mit derjenigen der Piezo-Einheit 55 übereinstimmte.

Nachfolgend soll der Fall beschrieben werden, daß die Piezo-Einheiten 55 in der Grundschwingung und die Resonatoren 57 in der zweiten Oberschwingung angeregt werden. Fig. 24 zeigt die für diesen Fall nach der Finite-Elemente-Methode erhaltene Verteilung der Auslenkungen.

Es soll angenommen werden, daß die hier verwendeten Piezo-Einheiten 55 eine Länge von 1,6 mm, eine Breite von 0,6 mm und eine Dicke von 0,4 mm hatten, mit einer Resonanzfrequenz von 1072 kHz. Fig. 15 bis 27 zeigen die Absolutbeträge der Auslenkungen in X-Richtung für Resonatoren 57 mit der Breite W von 1,0 mm und der Länge l von 0,65 mm, 0,70 mm bzw. 0,75 mm.

Aus einem Vergleich der Fig. 25 bis 27 geht deutlich hervor, daß unter diesen Umständen die weitergeleitete Schwingungsenergie im Fall der Fig. 26 am wirksamsten unterdrückt wurde, was sich dadurch erklären läßt, daß dort die Frequenz der Grundschwingung der Piezo-Einheit 55 mit der Frequenz der zweiten Oberschwingung des Resonators 57 übereinstimmt.

Es zeigt sich somit, daß die Piezo-Einheit und der Resonator sowohl in der Grundschwingung als auch in der dritten Oberschwingung angeregt werden können. Der Resonator ist an einen Bereich des Halteelements gekoppelt, der nicht dessen Schwingungsknoten entspricht. Hierdurch wird die weitergeleitete Schwingung noch wirksamer durch den Resonator unterdrückt. Dieser Gesichtspunkt wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 28 bis 32 näher erläutert.

Wenn bei der in Fig. 10 gezeigten Anordnung die Piezo-Einheit 55 in Resonanz angeregt wird, so breitet sich ihre Schwingung in dem Stab 56 aus. Fig. 28 zeigt vergrößert die in dem Stab 56 auftretenden Auslenkungsvektoren. Der Stab 56 wird durch die weitergeleitete Schwingung (Longitudinalwelle) in der in Fig. 28 gezeigten Weise ausgelenkt (wobei die in Fig. 28 gezeigten Pfeile die Auslenkungsvektoren darstellen).

Wie deutlich in Fig. 28 zu erkennen ist, hat der Stab 56 einen Bereich, der sehr stark durch die weitergeleitete Schwingung ausgelenkt wird, und einen kaum ausgelenkten Bereich, d. h. einen Schwingungsknoten. Speziell ist zu erkennen, daß der Stab 56 in einem Bereich an einem Punkt 0,5 in Relativ­ koordinaten besonders stark ausgelenkt wird und in einem Bereich an einem Punkt 1,5 in Relativkoordinaten auf der X-Achse kaum ausgelenkt wird. Für den in Fig. 11 gezeigten Piezo-Resonator wurde die Wirkung des Resonators 57 für unterschiedliche Abstände P zwischen der seitlichen Oberfläche der Piezo-Einheit 55 und der Mitte des Resonators 57 untersucht.

Fig. 29 bis 32 zeigen die Absolutbeträge der Auslenkungen in X-Richtung in jeweiligen Bereichen längs der X-Achse für Piezo-Einheiten, bei denen der Abstand P 0,5, 1,0, 1,5 bzw. 2,0 Einheiten auf der in Fig. 28 gezeigten Längenskala an der X-Achse betrug. Aus Fig. 31 geht hervor, daß eine Schwingung mit einer beträchtlichen Amplitude in den jenseits des Resonators 57 gelegenen Bereich weitergeleitet wurde. Dies bedeutet, daß die Schwingung durch Resonanz nicht so wirksam unterdrückt werden kann, wenn der Resonator 57 an der Stelle angekoppelt ist, die dem Abstand P von 1,5 entspricht, d. h. an der Stelle eines Schwingungsknotens. Andererseits ist zu erkennen, daß die Beträge der über den Resonator hinaus weiter­ geleiteten Leckschwingung in den Fällen der Fig. 29 (Abstand P = 0,5), der Fig. 30 (Abstand P = 1,0) und der Fig. 32 (Abstand P = 2,0) besonders klein war. Es ist somit festzustellen, daß der Resonator vorzugsweise an einen Abschnitt des Halteelements gekoppelt sein sollte, der nicht einem Schwingungsknoten entspricht, damit die weitergeleitete Schwingung durch den Resonator wirksam unterdrückt werden kann.

Andererseits zeigt ein Vergleich der Fig. 31 mit Fig. 12(b), daß die Weiterleitung der Schwingung nach außen im Vergleich zu der in Fig. 10 gezeigten Piezo-Einheit ohne Resonator selbst dann noch zu einem gewissen Grad unterdrückt wurde, wenn der Resonator 57 am Schwingungsknoten angekoppelt war.

Bei der Piezo-Vibratoreinheit 41 nach dem in Fig. 9(a) und 9(b) gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel sind die Halteteile 46 und 52 über die Kopplungsstäbe 45 und 51 an die Resonatoren 44 und 50 angekoppelt. Diese Halteteile sind lediglich dazu eingerichtet, die mechanische Befestigung der Piezo-Vibratoreinheit 41 bei der Herstellung zu erleichtern. Wenn auf den Seiten der Resonatoren 44 und 50, die den an die Halteelemente 43 und 49 angekoppelten Seiten gegenüberliegen, Kopplungsteile 60a und 60b zur Kopplung mit anderen Teilen angeschlossen sind, wie in Fig. 33 gezeigt ist, kann die Schwingungsenergie in ähnlicher Weise in Bereichen bis zu den Resonatoren 44 und 50 eingeschlossen werden, wie bei dem in Fig. 9(a) und 9(b) gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel, so daß ähnlich wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel auch ein solcher Aufbau für einen Piezo-Resonator mit Energieeinschluß verwendet werden kann.

Während weiterhin bei der Piezo-Vibratoreinheit 41 nach dem in Fig. 9(a) und 9(b) gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel jeweils ein einziger Resonator 44 bzw. 50 auf jeder Seite der Piezo-Einheit 42 angeordnet ist, können auch mehrere Resonatoren 44 und 50 auf jeder Seite der Piezo-Einheit 42 angeordnet sein, wie in Fig. 34 gezeigt ist. In diesem Fall sind die mehreren Resonatoren 44 und 50 durch Halteelemente 43a, 43b, 51a und 51b miteinander gekoppelt.

Ausführungsbeispiel einer Piezo-Vibratoreinheit mit Dehnungs-Schwingungsmode

Fig. 35(a) und 35(b) sind Grundrißskizzen und zeigen eine Piezo-Vibratoreinheit gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung bzw. eine auf der Unterseite einer piezoelektrischen Platte angeordnete Elektrode.

Das dritte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Piezo-Vibratoreinheit 81, die mit einer Dehnungs-Schwingungsmode einer rechteckigen oder quadratischen Platte arbeitet. Diese Piezo-Vibratoreinheit 81 besitzt eine Piezo-Einheit 82, in der eine Dehnungs-Schwingungsmode einer rechteckigen Platte (in Richtung der Dicke der Platte) anregbar ist. Die Piezo-Einheit 82 weist eine rechteckige Platte aus Piezokeramik und Elektroden 82a auf, die auf ganzer Fläche auf den entgegengesetzten Hauptflächen der Platte ausgebildet sind. Die zwischen den Elektroden 82a und 82b eingefügte Platte aus Piezokeramik ist einheitlich in Richtung ihrer Dicke polarisiert.

Abgesehen davon, daß mit einer in der Dehnungs-Schwingungsmode betriebenen Piezo-Einheit 82 gearbeitet wird, ist der Aufbau der Piezo-Vibratoreinheit 81 derjenigen der Piezo-Vibratoreinheit 41 nach dem zweiten Aus­ führungsbeispiel ähnlich. Einzelheiten, die denjenigen in Fig. 9(a) und 9(b) entsprechen, sind deshalb in Fig. 35(a) und 35(b) mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht noch einmal im einzelnen beschrieben.

Bei der Piezo-Vibratoreinheit 81 wird eine Wechselspannung an die Klemmenelektroden 48a und 48b angelegt, so daß die Piezo-Einheit 82 in Resonanz in einer Dehnungs-Schwingungsmode oszilliert. Auch bei diesem Aus­ führungsbeispiel wird die Schwingung der Piezo-Einheit 82 auf Resonatoren 44 und 50 übertragen, die an außerhalb der Schwingungsknoten gelegene Bereiche von Halteelementen 43 und 49 gekoppelt sind, so daß die Resonatoren 44 und 50 in Resonanz zu Biegeschwingungen mit Frequenzen angeregt werden, die im wesentlichen mit der Resonanz­ frequenz der Piezo-Einheit 82 übereinstimmen. Die weitergeleitete Schwingung wird somit durch Resonanz der Resonatoren 44 und 50 ausgelöscht, so daß die Schwingungsenergie in dem durch die Resonatoren 44 und 50 begrenzten Bereich eingeschlossen bleibt.

Obgleich bei dem in Fig. 35(a) und 35(b) gezeigten Beispiel die Resonatoren 44 und 50 nur an zwei Seiten über die Halteelemente 43 und 49 an die Piezo-Einheit 82 gekoppelt sind, können ähnliche Resonatoren, die zu Biegeschwingungen anregbar sind, auch durch entsprechende Halteelemente an die oberen und unteren Bereiche der Piezo-Einheit 82 angekoppelt sein.

Bei der oben beschriebenen Piezo-Vibratoreinheit 81 nach dem dritten Ausführungsbeispiel kann eine Piezo-Einheit verwendet werden, die zu Schwingungen in verschiedenen Schwingungsmoden in der Lage ist, und dennoch kann die Schwingungsenergie durch die Ankopplung der Resonatoren über die Schwingungsübertragungsteile in einem Bereich eingeschlossen werden, der nicht über die Resonatoren hinausgeht. Somit ist es möglich, eine Piezo-Vibratoreinheit mit Energieeinschluß zu schaffen, die mit einer Schwingungsmode arbeitet, bei der bisher kein Energieeinschluß möglich war.

Anwendungsbeispiele

Fig. 36 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Beispiels einer Piezo-Vibratoreinheit nach dem zweiten Ausführungsbeispiel als in der Praxis anwendbares Bauelement. Bei einem solchen Piezo-Resonanzbauelement 100 ist die in Fig. 9(a) und 9(b) gezeigte Piezo-Vibratoreinheit 41 als Baustein mit Leitungsanschlüssen ausgebildet. Ein Leitungsanschluß 101a ist mit einer Klemmenelektrode 48a verbunden, die auf der oberen Oberfläche des Halteteils 46 ausgebildet ist, und ein weiterer Leitungsanschluß 101b ist mit der in Fig. 36 nicht gezeigten anderen Klemmenelektrode verbunden, die auf der unteren Oberfläche des anderen Halteteils 52 ausgebildet ist. Alle Teile mit Ausnahme der Endabschnitte der Leitungsanschlüsse 101a und 101b sind mit einem schützenden Kunststoffkörper 102 bedeckt, der in Fig. 36 durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist. In dem schützenden Kunststoffkörper 102 ist ein Hohlraum ausgebildet, damit die schwingenden Teile, wie die Piezo-Einheit 42 und die Resonatoren 44 und 50 nicht an der Schwingung gehindert werden. Ein solcher Hohlraum kann gebildet werden, indem Wachs auf die schwingenden Teile aufgebracht und dieser anschließend mit dem Schutzkörper 102 aus wärmehärtbarem Kunststoff umhüllt und danach einer Wärmebehandlung unterzogen wird.

Fig. 37 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines chipförmigen Piezo-Resonanzbauelements 110, das aus der in Fig. 9(a) und 9(b) gezeigten Piezo-Vibratoreinheit 41 aufgebaut ist, und Fig. 38 ist eine perspektivische Ansicht dieses Bauelements 110.

In dem Piezo-Resonanzbauelement 110 sind erste und zweite Distanzplatten 111 und 112 mit Hilfe eines isolierenden Klebers oder dergleichen an den Seitenbereichen der in Fig. 9(a) und 9(b) gezeigten Piezo-Vibratoreinheit 41 befestigt. Die Distanzplatten 111 und 112 haben im wesentlichen die gleiche Dicke wie die Piezo-Vibratoreinheit 41.

Die ersten und zweiten Distanzplatten 111 und 112 sind von den schwingenden Teilen, d. h. von der Piezo-Einheit 42 und den Resonatoren 44 und 50, durch vorgegebene Zwischenräume getrennt, so daß sie nicht mit diesen Teilen in Berührung kommen und deren Schwingung nicht behindern. Die ersten und zweiten Distanzplatten 111 und 112 sind aus einem isolierenden Material, wie beispielsweise isolierender Keramik oder Kunststoff, hergestellt, das eine gewisse Steifheit aufweist. Klebestreifen 113 und 114 in der Form rechteckiger Rahmen sind auf den oberen und unteren Oberflächen der Piezo-Vibratoreinheit 41 und der ersten und zweiten Distanzplatten 111 und 112 aufgebracht und dienen dazu, Gehäuse-Substrate 115 und 116, die weiter unten beschrieben werden, an der Piezo- Vibratoreinheit 41 und den ersten und zweiten Distanzplatten 111 und 112 zu befestigen.

Die Gehäuse-Substrate 115 und 116, die aus isolierender Keramik, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder aus Kunstharz, bestehen, sind mit Hilfe der Klebestreifen 113 und 114 auf die Piezo-Vibratoreinheit 41 und die ersten und zweiten Distanzplatten 111 und 112 aufgeklebt.

Die Klebestreifen 113 und 114 können aus Klebematerialien mit rechteckiger Rahmenform hergestellt sein, die die Piezo-Vibratoreinheit 41 und die damit verklebten ersten und zweiten Distanzplatten 111 und 112 durch Druckklebung mit den Gehäuse-Substraten 115 und 116 zusammenhalten, wie in Fig. 37 gezeigt ist. Alternativ können Klebemittel auf die untere Oberfläche des Gehäuse-Substrats 115 und die obere Oberfläche des Gehäuse-Substrats 116 in der Form rechteckiger Rahmen aufgebracht werden, die die gleichen Grundrißformen wie die Klebestreifen 113 und 114 haben und die Klebestreifen 113 und 114 ersetzen.

Wie oben beschrieben wurde, sind die Klebestreifen 113 und 114 als rechteckige Rahmen ausgebildet, damit in den Bereichen über und unter der Piezo- Vibratoreinheit 41 Hohlräume gebildet werden, die die Schwingung der schwingenden Teile ermöglichen.

In Fig. 38 ist deutlich zu erkennen, daß erste und zweite äußere Elektroden 117 und 118 durch Vakuumabscheidung, Sputtern, Plattieren oder Aufbringen und Ausheizen von Leitpaste so auf das chipförmige Bauelement 110 nach diesem Ausführungsbeispiel aufgebracht sind, daß sie zwei Randflächen desselben bedecken.

Bei dieser Ausbildung der ersten und zweiten äußeren Elektroden 117 und 188 können äußere Teilelektroden 115a und 115b zuvor auf der oberen Oberfläche des Gehäuse-Substrats 115 ausgebildet werden, wie in Fig. 37 gezeigt ist, und ähnliche äußere Teilelektroden könnten auf der unteren Oberfläche des Gehäuse-Substrats 116 ausgebildet werden, so daß die äußeren Elektroden 117 und 118 auf den Randflächen eines solchen Schichtkörpers die äußeren Teilelektroden auf den oberen und unteren Oberflächen des Schichtkörpers elektrisch miteinander verbinden.

Fig. 39 und 40 zeigen eine perspektivische Explosionsdarstellung und eine perspektivische Ansicht eines chipförmigen Piezo-Resonanzbauelements 120, das aus einer Piezo-Vibratoreinheit 81 mit Dehnungs-Schwingungsmode aufgebaut ist, wie sie in Fig. 35 gezeigt ist.

Das chipförmige Bauelement 120 ist ähnlich aufgebaut wie das in Fig. 38 gezeigte Bauelement 110, mit dem Unterschied, daß anstelle der in Fig. 37 gezeigten Piezo-Vibratoreinheit 41 die Piezo-Vibratoreinheit 81 verwendet wird und erste und zweite Distanzplatten 121 und 122 an die seitlichen Bereiche der Piezo-Vibratoreinheit 81 angeklebt sind. Im übrigen kann bezüglich des detaillierten Aufbaus des Bauelements 120 auf die Beschreibung zu dem Bauelement 110 verwiesen werden.

Bei den in Fig. 37 und 39 gezeigten Bauweisen werden blattförmige Klebemittel 113 und 114 verwendet, um Hohlräume in den Bereichen über und unter der Piezo-Vibratoreinheit 41 bzw. 81 zu bilden, damit die Schwingung ermöglicht wird, oder es wird Klebstoff so auf die Hauptflächen der Gehäuse- Substrate aufgetragen, daß er die gleiche Grundrißform hat wie die blatt­ förmigen Klebemittel 113 und 114. Alternativ können Hohlräume, die die Schwingung der schwingenden Teile ermöglichen, auch in der unteren Oberfläche des Gehäuse-Substrats 115 und der oberen Oberfläche des Gehäuse-Substrats 116 ausgebildet sein, und es wird Klebstoff auf die Bereiche um die Hohlräume herum aufgetragen, oder es werden blattförmige Klebemittel in der Form rechteckiger Rahmen verwendet, um die Piezo-Vibratoreinheiten 41 und 81 und die ersten und zweiten Distanzplatten 111, 112 bzw. 121, 122 mit den Gehäuse-Substraten 115 und 116 zu verkleben.

Claims (8)

1. Vibratoreinheit, deren mechanischer Vibrator (1a; 11; 21a; 22a; 31a; 42, 82) von mindestens einem Halteelement (1c; 13; 21b; 21e; 21g; 22b; 31b; 43; 49) gehalten wird, das im Bereicvh eines Schwingungsknotens an den Vibrator gekoppelt ist, und von denen jedes dieser Halteelemente (1c; 13; 21b; 21e; 21g; 22b; 31b; 43; 49) an ein Dämpfungselement gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß jedes Dämpfungselement ein Resonator (10; 14; 21c; 21f; 21h; 22c; 22e; 31c; 44; 50) ist, und
daß jeder Resonator außerhalb eines Schwingungsknotens des ohne Resonator ausgebildeten Halteelements (1c; 13; 21b; 21e; 21g; 22b; 31b; 43; 49) an dieses gekoppelt ist.

2. Vibratoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzfrequenz des Resonators mit der Frequenz der vom Vibrator (1a; 11; 21a; 22a; 31a; 42; 82) übertragenen Schwingung übereinstimmt.

3. Vibratoreinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Resonatoren (21f; 21g; 22c; 22e; 44; 50) in Reihe angeordnet sind.

4. Vibratoreinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrator eine Piezo-Einheit ist.

5. Vibratoreinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator als Biegeschwinger ausgebildet ist.

6. Vibratoreinheit nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Eigenschwingung der Piezo-Einheit (42) eine Longitudinalwelle ist.

7. Vibratoreinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Resonator durch einen Kopplungsstab (45, 51) an einen Halteteil (46, 52) gekoppelt ist.

8. Vibratoreinheit nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Piezo-Einheit (82) eine piezoelektrische Platte ist, die auf jeder Seite durch ein Halteelement gehalten ist.