DD241515A1 - Piezokeramischer dickenschwinger - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen piezokeramischen Dickenschwinger, der in der Technik vielfaeltig als piezokeramisches Bauelement, z. B. fuer Filter, Resonatoren u. ae. eingesetzt werden kann. Ziel ist die Verbesserung der Schwingungseigenschaften sowie die Erhoehung der Zuverlaessigkeit und Lebensdauer des Bauelementes. Aufgabengemaess sind die akustische Entkopplung und die mechanische Belastbarkeit des piezokeramischen Dickenschwingers zu erhoehen. Die Aufgabe wird erfuellt, indem das Substrat am Gehaeusestegen lediglich mittig gehalten wird und stoerende Schwingungen ueber die Halterung an Gehaeuseteile abgeleitet werden, indem diese Gehaeuseteile in Schwingungsrichtung des Substrates eine vorzugsweise mindestens dreifach geringere Eigenfrequenz als die Eigenfrequenz des Substrates besitzen. Figur

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen piezokeramischen Dickenschwinger, bei dem der piezokeramische Effekt in Form von Biegeschwingungen des Substrates ausgenutzt wird. Derartige Bauelemente werden in der Technik vielfältig als Frequenzfilter, Resonatoren u.a. eingesetzt.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind allgemein piezokeramische Schwinger hinreichend bekannt, die sich durch die Art der Schwingung (quasistatisch, also weit unterhalb der mechanischen Eigenresonanz und Resonanzanregung), durch die Form (runde, recheckige bzw. quadratische Platte, Rohr, Zylinder) sowie durch die Form der Schwingung (Dickenschwingung, Radialschwingung, Scherschwingung) unterscheiden.

So umfassen beispielsweise unterhalb der Resonanz betriebene Anordnungen Tonabnehmer, Mikrofone, Accelerometer, Hochspannungsquellen und einige Hydrofone. Dagegen werden beispielsweise sämtliche Ultraschallwandler, Unterwasser-Leistungsschallgeber, Materialprüfköpfe und Wandler für Verzögerungsleitungen als Resonatoren betrieben. Speziell bei Filterbauelementen werden piezokeramische Bauelemente als Resonanzüberträger eingesetzt (H-Filter). Die piezokeramischen Bauelemente bestehen aus einem Keramiksubstrat, das je nach Anwendungsfall eine bestimmte Anzahl von Resonatorelektroden, Verbindungselektroden, Zuleitungen und Anschlußflächen aufweist. Dieses Keramiksubstrat ist fest im Gehäuse eingekittet.

Um störende Schwingungen von den paarweisen Resonatorelektroden fernzuhalten, ist es erforderlich, diese schwingungsmäßig zu entkoppeln.

Zur Entkopplung ist es bekannt (z. B. DD-PS 204369), in das Keramiksubstrat mittels Laserstrahl Kerben, Schlitze oder Loch reihen zwischen den Resonatorpaaren anzubringen. Auf diese Art und Weise ist zwar eine gewisse akustische Entkopplung der Resonatorpaare realisierbar, jedoch ist diese nur unvollständig. Besonders nachteilig macht sich allerdings die erhöhte Belastung der Materialquerschnitte durch mechanische Spannungen bemerkbar, welche die Belastbarkeit der Querschnitte mit Kräften und damit die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der Keramik einschränken.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Verbesserung der Schwingungseigenschaften sowie der Zuverlässigkeit und Lebensdauer des piezokeramischen Dickenschwingers.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die akustische Entkopplung sowie mechanische Belastbarkeit des piezokeramischen Radialschwingers zu erhöhen. Insbesondere soll das Substrat für die Entkopplung auch nicht in Teilbereichen mechanisch geschwächt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem piezokeramischen Dickenschwinger, bei dem in einem Gehäuse ein Keramiksubstrat angeordnet ist, auf dessen Strukturoberfläche paarweise Schwingungselektroden sowie Verbindungs- und Anschlußelemente aufgebracht sind, dadurch gelöst, daß das Keramiksubstrat mit seiner Strukturoberfläche und Rückfläche lediglich mittig durch form- und stoffschlüssige Verbindung mit Gehäusestegen im Gehäuse gehaltert ist und daß zum Zweck der Realisierung einer vorzugsweise mindestens dreifach geringeren Eigenfrequenz eines Gehäuseteils gegenüber der Eigenfrequenz des Keramiksubstrates der der Rückfläche des Keramiksubstrates zugewandte Gehäusesteg mindestens einen den Querschnitt des Gehäusesteges verringernden Einschnitt aufweist.

Es ist vorteilhaft, wenn mindestens ein Gehäusesteg eine nutförmige Aussparung zur Durchführung von Strukturelementen der Strukturoberfläche des Keramiksubstrates besitzt. Mit der Erfindung wird das Keramiksubstrat nur mittig an Gehäusestegen, nicht jedoch mit seiner gesamten Fläche im Gehäuse gehaltert.

Der an der Rückfläche des Keramiksubstrates angeordnete Gehäusesteg enthält Einschnitte, z. B. Kerben, die seinen Querschnitt derart verringern, daß mit dem verbleibenden Stegquerschnitt der Gehäusesteg eine Eigenfrequenz in Schwingungsrichtung

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des Keramiksubstrates besitzt, die vorzugsweise mindestens dreifach geringer als die Eigenfrequnz des Keramiksubstrates ist.

Dabei muß allerdings der Elastizitätsmodul des Gehäusewerkstoffes berücksichtigt werden, so daß bei dynamischer Belastung des Entkopplungsgebietes des Bauelementes die Dauerfestigkeit des Keramiksubstrates und des Gehäuse gewährleistet ist.

Diese Bedingung ist dem Fachmann an sich hinreichend bekannt.

Mit der definiert gestalteten richtungsbezogenen Schwingungsfähigkeit des Steges als Gehäuseteil (durch Geometrie und Gehäusewerkstoff) sowie durch die Art der Substrathalterung wird im Entkopplungsgebiet des Substrates ein Schwingungsknoten erzeugt, über den alle störenden Schwingungen, die sich der Nutzschwingung des Substrates überlagern würden, auf das Gehäuse abgeleitet werden und dort durch Eigenschwingungsfähigkeit des Gehäuseteils energetisch umgesetzt werden.

Damit ist das Substrat frei von derartigen Störschwingungen bei uneingeschränkt hoher mechanischer Belastbarkeit des Keramiksubstrates, und es ist eine gute akustische Entkopplung realisierbar.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßer piezokeramischer Dickenschwinger in Vorder- und Draufsicht dargestellt.

Ein Keramiksubstrat 1 mit auf diesem enthaltenen paarweisen Schwingungselektroden 2, einer Verbindungselektrode 3 sowie Zuleitungsflächen 4 und Anschlüssen 5 ist mittig in einem Gehäuse 6 befestigt, indem es mit seiner Strukturoberfläche, welche die genannten Strukturelemente aufweist, an einem Steg 7 und mit seiner Rückfläche an einem Steg 8 angekittet ist. Die Kittung an Kittstellen 9 der Stege 7,8 erfolgt zweckmäßigerweise mittels hartelastischen Klebers, beispielsweise Epoxidharz, um an den Einspannstellen des Keramiksubstrates 1 einen Kavitationseffekt zu unterdrücken.

Aus Übersichtsgründen ist in der Zeichnung das Gehäuse 6 mit den Stegen 7,8 in Schnittdarstellung abgebildet Die Stege 7,8 besitzen zur Durchführung der Verbindungselektrode 3 auf dem Keramiksubstrat eine Nut 10 (in Draufsicht des Bauelementes angedeutet).

Mit der Substrathalterung besitzt das Keramiksubstrat 1 lediglich im Bereich der Stege 7,8 mechanischen und akustischen Kontakt mit dem Gehäuse 6.

Der Steg 8 enthält zwei seinen Querschnitt verringernde Schlitze 11, mit denen die Eigenfrequenz des Steges 8 an der verbleibenden Stegfläche so beeinfluß wird, daß sie in Schwingungsrichtung des Keramiksubstrates (in der Zeichnung vertikal) dreifach geringer als die Eigenfrequenz des Keramiksubstrates ist. Der Elastizitätsmodul des Gehäusewerkstoffes ist dabei so zu wählen, daß die mechanische Belastbarkeit des Bauelementes bei der genannten Frequenzbedingung in vollem Umfang gewährleistet ist.

Durch die erfindungsgemäßen konstruktiven bzw. schwingungstechnischen Maßnahmen wird im Entkopplungsgebiet des Bauelementes ein Schwingungsknoten erzeugt, über den die störenden Schwingungen, die sich der Nutzschwingung des Keramiksubstrates 1 überlagern würden, über die Kittstelle 9 in den Steg 8 und damit in Gehäuseteile abgeleitet werden und dort durch deren Eigenschwingungsfähigkeit gut entkoppelt von der Eigenschwingung des Keramiksubstrates 1 energetisch umgesetzt werden.

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   1. Piezokeramischer Dickenschwinger, bei dem in einem - Gehäuse ein Keramiksubstrat angeordnet ist, auf dessen Strukturoberfläche paarweise Schwingungselektroden sowie Verbindungs- und Änschlußelemente aufgebracht sind, gekennzeichnet dadurch, daß das Keramiksubstrat mit seiner Strukturoberfläche und Rückfläche lediglich mittig durch form- und stoffschlüssige Verbindung mit Gehäusestegen im Gehäuse gehaltert ist und daß zum Zweck der Realisierung einer vorzugsweise mindestens dreifach geringeren Eigenfrequenz eines Gehäuseteils gegenüber der Eigenfrequenz des Keramiksubstrates der der Rückfläche des Keramiksubstrates zugewandte Gehäusesteg mindestens einen den Querschnitt des Gehäusesteges verringernden Einschnitt aufweist.
2. 2. Piezokeramischer Dickenschwinger gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens ein Gehäusesteg eine nutförmige Aussparung zur Durchführung von Strukturelementen der Strukturoberfläche des Keramiksubstrates besitzt.