DD241515A1 - PIEZOKERAMIC THICKENER - 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. FigurThe invention relates to a piezoceramic thickness vibrator, which vielfaeltig in the art as piezoceramic component, for. B. for filters, resonators u. ae. can be used. The aim is to improve the vibration characteristics and to increase the reliability and service life of the component. Taskgemaess the acoustic decoupling and the mechanical strength of the piezoceramic thickness vibrator to increase. The object is achieved by the substrate is held only centrally on the Gehaeusestegen and are derived disturbing vibrations on the holder to Gehaeuseteile by these Gehaeuseteile in the direction of vibration of the substrate have a preferably at least three times lower natural frequency than the natural frequency of the substrate. figure

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

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.The invention relates to a piezoceramic thickness vibrator in which the piezoceramic effect in the form of bending vibrations of the substrate is utilized. Such devices are widely used in the art as frequency filters, resonators and the like. used.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

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.There are generally known piezoceramic oscillators, which are characterized by the nature of the vibration (quasi-static, that is far below the mechanical resonance and resonance excitation), by the shape (round, rectangular or square plate, tube, cylinder) and by the shape of the vibration (Thickness vibration, radial vibration, shear vibration) differ.

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.For example, resonant arrangements include pickups, microphones, accelerometers, high voltage power supplies and some hydrophones. In contrast, for example, all ultrasonic transducers, underwater power sounders, material probes and converters for delay lines are operated as resonators. Especially with filter components piezoceramic components are used as resonant transmitter (H-filter). The piezoceramic components consist of a ceramic substrate which, depending on the application, has a certain number of resonator electrodes, connection electrodes, leads and pads. This ceramic substrate is firmly cemented in the housing.

Um störende Schwingungen von den paarweisen Resonatorelektroden fernzuhalten, ist es erforderlich, diese schwingungsmäßig zu entkoppeln.To keep disturbing vibrations of the pairwise resonator electrodes, it is necessary to decouple them vibrationally.

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.For decoupling, it is known (eg DD-PS 204369), in the ceramic substrate by means of laser beam notches, slots or rows of holes between the resonator pairs to install. Although a certain acoustic decoupling of the resonator pairs can be realized in this manner, this is only incomplete. Particularly disadvantageous, however, is the increased load on the material cross-sections caused by mechanical stresses, which limit the load capacity of the cross sections with forces and thus the reliability and service life of the ceramic.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist die Verbesserung der Schwingungseigenschaften sowie der Zuverlässigkeit und Lebensdauer des piezokeramischen Dickenschwingers.The aim of the invention is to improve the vibration characteristics and the reliability and life of the piezoceramic thickness vibrator.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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.The invention has for its object to increase the acoustic decoupling and mechanical strength of the piezoceramic radial oscillator. In particular, the substrate for the decoupling should not be mechanically weakened in some areas.

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.According to the invention, this object is achieved in a piezoceramic thickness oscillator, in which a ceramic substrate is arranged in a housing on the structure surface pairs of vibration electrodes and connecting and connecting elements are applied, achieved in that the ceramic substrate with its structure surface and back surface only centrally by positive and cohesive Connection with housing webs is supported in the housing and that for the purpose of realizing a preferably at least three times lower natural frequency of a housing part relative to the natural frequency of the ceramic substrate of the back surface of the ceramic substrate facing housing web has at least one of the cross section of the housing web reducing recess.

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.It is advantageous if at least one housing web has a groove-shaped recess for the passage of structural elements of the structure surface of the ceramic substrate. With the invention, the ceramic substrate is supported only centrally on housing webs, but not with its entire surface in the housing.

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 SchwingungsrichtungThe arranged on the rear surface of the ceramic substrate housing web includes cuts, z. B. notches that reduce its cross-section such that with the remaining web cross-section of the housing web a natural frequency in the direction of vibration

-2- £Ά\ ΟΙΟ-2- £ Ά \ ΟΙΟ

des Keramiksubstrates besitzt, die vorzugsweise mindestens dreifach geringer als die Eigenfrequnz des Keramiksubstrates ist.of the ceramic substrate, which is preferably at least three times smaller than the natural frequency of the ceramic substrate.

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.In this case, however, the modulus of elasticity of the housing material must be taken into account so that the dynamic strength of the decoupling region of the device, the fatigue strength of the ceramic substrate and the housing is ensured.

Diese Bedingung ist dem Fachmann an sich hinreichend bekannt.This condition is well known to those skilled in the art.

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.With the defined designed directional vibration capability of the web as a housing part (by geometry and housing material) and by the nature of the substrate holder in the decoupling region of the substrate, a vibration node is generated over which all disturbing vibrations that would be superimposed on the useful vibration of the substrate to the housing be energetically implemented there by Eigenschwingungsfähigkeit of the housing part.

Damit ist das Substrat frei von derartigen Störschwingungen bei uneingeschränkt hoher mechanischer Belastbarkeit des Keramiksubstrates, und es ist eine gute akustische Entkopplung realisierbar.Thus, the substrate is free of such spurious oscillations with unrestricted high mechanical load capacity of the ceramic substrate, and it is a good acoustic decoupling feasible.

Ausführungsbeispielembodiment

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.The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment shown in the drawing. In the drawing, an inventive piezoceramic thickness vibrator is shown in front and top view.

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.A ceramic substrate 1 having paired vibration electrodes 2, a connection electrode 3, and lead surfaces 4 and terminals 5 is fixed centrally in a housing 6 by supporting it with a structural surface having said structural elements at a ridge 7 and at a back surface thereof Bridge 8 is angekittet. The cementing at Kittstellen 9 of the webs 7,8 is advantageously carried out by means of hard elastic adhesive, such as epoxy resin to suppress a cavitation effect at the clamping points of the ceramic substrate 1.

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).For reasons of clarity, the housing 6 with the webs 7, 8 is shown in a sectional view in the drawing. The webs 7, 8 have for carrying out the connecting electrode 3 on the ceramic substrate a groove 10 (indicated in plan view of the component).

Mit der Substrathalterung besitzt das Keramiksubstrat 1 lediglich im Bereich der Stege 7,8 mechanischen und akustischen Kontakt mit dem Gehäuse 6.With the substrate holder, the ceramic substrate 1 has mechanical and acoustic contact with the housing 6 only in the region of the webs 7, 8.

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.The web 8 includes two its cross-section reducing slots 11, with which the natural frequency of the web 8 on the remaining land surface is affected so that it is three times lower than the natural frequency of the ceramic substrate in the vibration direction of the ceramic substrate (vertical in the drawing). The modulus of elasticity of the housing material is to be chosen so that the mechanical strength of the device at the frequency condition mentioned is fully guaranteed.

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.The inventive constructional or vibration control measures a vibration node is generated in the decoupling region of the device over which the disturbing vibrations that would be superimposed on the useful vibration of the ceramic substrate 1, are derived via the Kittstelle 9 in the web 8 and thus in housing parts and there whose natural vibration ability is well decoupled from the natural vibration of the ceramic substrate 1 energetically implemented.

Claims (2)

Patentansprüche:claims: 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.1. piezoceramic thickness oscillator, in which - a ceramic substrate is arranged on the structure surface in pairs vibration electrodes and connecting and connecting elements are applied, characterized in that the ceramic substrate with its structure surface and rear surface only centrally by positive and cohesive connection with housing webs is held in the housing and that for the purpose of realizing a preferably at least three times lower natural frequency of a housing part relative to the natural frequency of the ceramic substrate of the back surface of the ceramic substrate facing housing web has at least one of the cross section of the housing web reducing recess. 2. Piezokeramischer Dickenschwinger gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß mindestens ein Gehäusesteg eine nutförmige Aussparung zur Durchführung von Strukturelementen der Strukturoberfläche des Keramiksubstrates besitzt.2. piezoceramic thickness transducer according to claim 1, characterized in that at least one housing web has a groove-shaped recess for the passage of structural elements of the structural surface of the ceramic substrate.