DE1766158B1 - Piezoelektrische keramische resonatoreinheit - Google Patents

Piezoelektrische keramische resonatoreinheit

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DE1766158B1
DE1766158B1 DE19681766158 DE1766158A DE1766158B1 DE 1766158 B1 DE1766158 B1 DE 1766158B1 DE 19681766158 DE19681766158 DE 19681766158 DE 1766158 A DE1766158 A DE 1766158A DE 1766158 B1 DE1766158 B1 DE 1766158B1
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DE
Germany
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rubber body
piezoelectric ceramic
resonator
lead wires
resonator unit
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Withdrawn
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DE19681766158
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English (en)
Inventor
Michio Ishibashi
Takashi Nagata
Yasuo Nakajima
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03HIMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • H03H9/05Holders; Supports
    • H03H9/10Mounting in enclosures
    • H03H9/1007Mounting in enclosures for bulk acoustic wave [BAW] devices
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
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    • H03H9/00Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
    • H03H9/02Details
    • H03H9/05Holders; Supports
    • H03H9/09Elastic or damping supports

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine piezoelektrische keramische Resonatoreinheit mit einer Dickenscherschwingungen ausführenden und auf gegenüberliegenden Flächen mit Elektroden versehenen piezoelektrischen keramischen Resonatorscheibe, einem Gummikörper und einem Paar Zuleitungsdrähte.
  • Ein piezoelektrischer keramischer Dickenscherschwinger läßt sich so herstellen, daß seine Dickenscherschwingungsresonanz auf der gewünschten Frequenz liegt. In der Praxis tritt jedoch auch eine Vielzahl unerwünschter Subresonanzen auf.
  • Ein Verfahren zur Verhinderung subresonanter Schwingungen besteht darin, den Resonator an seinem Umfang mit einem Spannband zu haltern, das einen Belag aus einem dämpfenden Kunststoff aufweist (britische Patentschrift 833 930). Desgleichen lassen sich die Schwingungen dämpfen, indem man den Resonator auf Gummi lagert (deutsche Patentschrift 518 651).
  • Ein Resonator nach diesem Stand der Technik muß jedoch auch noch an elektrische Zuleitungsdrähte angeschlossen werden, ohne dabei den Frequenzgang der Anordnung zu beeinträchtigen. Außerdem muß der Resonator eingekapselt werden, um seine Beständigkeit gegenüber der umgebenden Atmosphäre zu verbessern.
  • Was die Verfahren zur stabilen Halterung piezoelektrischer Elemente anbetrifft, wird das Element nach dem Stand der Technik durch einen Plastik-oder Gummikörper gehalten (vgl. die deutsche Patentschrift 947 480, die deutsche Auslegeschrift 1140 602 und die schweizerische Patentschrift 256673).
  • Hierbei ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Keramikresonatoreinheit mit einem piezoelektrischen keramischen Scheibenresonator, einem Gummikörper und einem Paar Zuleitungsdrähte zu schaffen, die frei von unerwünschten Schwingungen unterhalb der Betriebsresonanz, gekapselt und stabil gehaltert ist, ohne daß die Zuleitungsdrähte die Frequenzcharakteristik beeinträchtigen.
  • Diese Aufgabe wird nach der Erfindung gelöst durch eine piezoelektrische Keramikresonatoreinheit, bei der der Gummikörper einen Schlitz aufweist, dessen Breite geringer als der Durchmesser des piezoelektrischen keramischen Resonatorelementes und dessen Tiefe größer ist als dessen Durchmesser, wobei der piezoelektrische Scheibenresonator in diesem Schlitz angeordnet ist, durch den der Gummikörper mit einer elastischen Kraft beaufschlagt wird und das Paar Zuleitungsdrähte sich durch den Gummikörper hindurch erstreckt und durch die elastische Kraft des Gummikörpers mit der jeweiligen Elektrode des Scheibenresonators in elektrisch leitendem Kontakt gehalten wird. Dabei dient jeweils ein Ende der Zuleitungsdrähte als elektrischer Anschluß, während das andere am Gummikörper bebefestigt ist.
  • Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das andere Ende der Zuleitungsdrähte so umgebogen, daß es den Gummikörper einklemmt. Die Zuleitungsdrähte werden also am Gummikörper befestigt, indem sie an der Schlitzkante umgebogen sind, um den Gummikörper festzuklemmen.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung hat der Gummikörper eine Härte von 10 bis 60 Einheiten der Shore-A-Skala. Die Härte des Gummikörpers ist für die Eliminierung subresonanter Schwingungen wesentlich. Ein weicher Gummikörper einer Härte von weniger als 10 Einheiten der Shore-A-Skala absorbiert die Dickenscherschwingungen so stark, daß die Resonatoreinheit der Erfindung praktisch nicht brauchbar wäre. Ein harter Gummikörper mit einer Härte von mehr als 60 Einheiten der Shore-A-Skala ist nicht elastisch genug und unterdrückt die subresonanten Schwingungen nicht. Die geeignete Härte des Gummikörpers liegt im Bereich von 10 bis 60 Einheiten der Shore-A-Skala. Die Härtebestimmung mit dem Shore-Härteprüfer ist erläutert in S. R. W i 11 i a m s »Hardness and Hardness Measurements«, 1942, Cleveland/Ohio, American Society for Metals.
  • Andere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung.
  • F i g. 1 a ist eine teilgeschnittene Perspektivansicht einer piezoelektrischen Keramikresonatoreinheit nach der Erfindung; F i g. 1 b ist ein Schnitt durch die Resonatoreinheit der F i g. 1 a; F i g. 2 ist eine teilgeschnittene Perspektivansicht eines piezoelektrischen keramischen Scheibenresonators, Teil der Resonatoreinheit der F i g. 1; F i g. 3 ist eine Perspektivansicht eines Gummikörpers mit einem Schlitz, ebenfalls Teil der Resonatoreinheit der F i g. l; F i g. 4 ist eine Scheinleitwertskurve über der Frequenz für einen piezoelektrischen keramischen Scheibenresonator der F i g. 2; F i g. 5 ist eine Scheinleitwertskurve über der Frequenz für eine Resonatoreinheit nach vorliegender Erfindung.
  • In den F i g. 1 a, 1 b bezeichnet das Bezugszeichen 200 insgesamt die piezoelektrische keramische Resonatoreinheit nach vorliegender Erfindung. Der piezoelektrische keramische Scheibenresonator 10 mit den Zuleitungsdrähten 7, 8 ist in den Schlitz 6 eines Gummikörpers 100 eingesetzt, so daß dieser auf den Resonator eine elastische Kraft ausübt. Die Zuleitungsdrähte 7, 8 verlaufen beidseitig zum Gummikörper 100, wobei jeweils ein Ende als elektrischer Anschluß und das jeweils andere Ende auf irgendeine verfügbare und geeignete Weise am Gummikörper 100 befestigt ist. Vorzugsweise sind die Zuleitungsdrähte jedoch an den Kanten 20 und 21 des Schlitzes 6 umgebogen, um den Gummikörper 100 einzuklemmen, wie es die F i g. 1 a, 1 b zeigen.
  • Der piezoelektrische keramische Scheibenresonator 10 besteht aus einem piezoelektrischen Keramikelement 1 mit aufgebrachten Elektroden 2, 3. Die Elektroden 2, 3 stehen infolge der elastischen Kraft des Gummikörpers 100 jeweils mit den Zuleitungsdrähten 7, 8 in leitender Berührung. Der Isolator 15 isoliert die Zuleitungsdrähte an der Öffnung des Schlitzes 6 gegeneinander (vgl. F i g. 1 a, 1 b). Der Isolator 15 kann fortgelassen werden, wenn der Abstand der Zuleitungsdrähte 7, 8 an der Öffnung des Schlitzes 6 groß genug ist, um eine gegenseitige Berührung der Drähte zu verhindern. Jeweils ein Ende der Zuleitungsdrähte 7, 8 dient als elektrischer Anschluß zur Zuführung eines elektrischen Signals an die Elektroden 2, 3.
  • Die Arbeitsweise der piezoelektrischen keramischen Resonatoreinheit wird unter Bezug auf die F i g. 2 und 3 eingehend beschrieben.
  • In F i g. 2 bezeichnen gleiche Bezugszahlen die gleichen Komponenten wie in F i g. 1. Das piezoelektrische Keramikelement 1 kann aus irgendeiner piezoelektrischen Keramik hergestellt sein. Dickenscherschwingungen erreicht man durch Polarisation in einer zu den Hauptflächen des Keramikelementes 1 parallelen Richtung.
  • In der F i g. 3 bezeichnet die Bezugszahl 100 insgesamt einen Gummikörper. Auch hier stellen gleiche Bezugszahlen wie in F i g. 1 die gleichen Elemente dar.
  • Nach vorliegender Erfindung hat der Gummikörper 100 eine Reihe von Funktionen: (1) Er ist ein Dämpfer zur Beseitigung unerwünschter Schwingungen des Resonatorelementes; (2) er dient als Mittel, um die Zuleitungsdrähte leitend mit den Elektroden auf dem Scheibenresonator zu verbinden; (3) er sorgt für die Kapselung und Halterung der Keramikscheibe und (4) für die elektrische Isolierung der Zuleitungsdrähte gegeneinander. Diese Funktionen erfüllt er, indem er aus natürlichem und/oder synthetischem Gummi, wie z. B. Butylgummi, Silicongummi und Chiocholgummi, hergestellt ist. Ein weiterer wichtiger Faktor für das Gummimaterial nach vorliegender Erfindung ist seine Härte. Die geeignete Härte liegt im Bereich von 10 bis 60 Einheiten der Shore-A-Skala. Ein weiches Gummimaterial einer Härte von weniger als 10 Einheiten der Shore-A-Skala absorbiert Schwingungen so stark, daß die Keramikresonatoreinheit nach vorliegender Erfindung praktisch nicht brauchbar wäre. Ein harter Gummi von mehr als 60 Einheiten der Shore-A-Skala hat keine ausreichende Elastizität und unterdrückt unerwünschte Schwingungen nicht.
  • In der F i g. 3 bezeichnen die Buchstaben d und h die Breite bzw. Tiefe des Schlitzes 6. Die Breite d und die Tiefe h müssen mit dem Durchmesser D der resonierenden Keramikscheibe in folgender Beziehung stehen: d<D<h. (3) Die Bedingung d < D muß erfüllt sein, um subresonante Schwingungen zu unterdrücken, die Bedingung D < h um die keramische Resonatorscheibe und die Zuleitungsdrähte im Sinne der vorliegenden Erfindung stabil haltern zu können. Die Bedingung d < D ist erforderlich, damit der Rand der Resonatorscheibe mit der stärksten elastischen Kraft beaufschlagt wird. Ist dies der Fall, eliminiert der Gummikörper zufriedenstellend die subresonanten Schwingungen, bei denen die stärkste Schwir_gung=_-auslenkung am Außenrand der Resonatorscheibe auftritt.
  • Die Bedingung D < h ist wesentlich, um den keramischen Scheibenresonator sowie die auf seine Elektroden aufgebrachten Zuleitungsdrähte insgesamt einbetten und damit die schwingende Resonatorscheibe stabil haltern zu können.
  • F i g. 4 zeigt den Frequenzgang des in F i g. 2 dargestellten piezoelektrischen keramischen Scheibenresonators, wobei dieser einen Durchmesser von 2,5 mm und eine Dicke von 0,27 mm hatte.
  • In der Fig.4 ist f. die Frequenz des maximalen und foo die des minimalen Scheinleitwertes, d. h. die Resonanz- bzw. Antiresonanzfrequenzen für Dickenscherschwingungen. Die Spitzen A, B, C, D und E stellen subresonante Schwingungen dar.
  • F i g. 5 zeigt den Frequenzgang einer Resonatoreinheit aus dem keramischen Scheibenresonator und einem Gummikörper nach vorliegender Erfindung. Der Keramikresonator ist der gleiche, dessen Frequenzgang in F i g. 4, dort aber ohne Gummikörper, dargestellt ist. Der Resonator und die Zuleitungsdrähte sind in den Schlitz eines Butylgummikörpers einer Härte von 17 Einheiten der Shore-A-Skala eingesetzt, wie es die F i g. 1 zeigt. Der Schlitz hat eine Breite d und eine Tiefe k von 2,0 bzw. 3,5 mm. Wie aus F i g. 5 ersichtlich, zeigt die Frequenzkurve nunmehr nur noch das Maximum und Minimum der Resonanz- bzw. Antiresonanz. Die Resonanzspitzen A, B, C, D und E der F i g. 4 sind erfolgreich unterdrückt.

Claims (3)

  1. Patentansprüche: 1. Piezoelektrische keramische Resonatoreinheit mit einem piezoelektrischen keramischen Scheibenresonator, der auf gegenüberliegenden Flächen aufgebrachte Elektroden trägt und Dickenscherschwingungen ausführt, einem Gummikörper und einem Paar Zuleitungsdrähte, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß der Gummikörper (100) einen Schlitz (6) aufweist, dessen Breite kleiner als der Durchmesser des piezoelektrischen keramischen Scheibenresonators (10) und dessen Tiefe größer als dieser Durchmesser ist, daß der piezoelektrische keramische Scheibenresonator (10) in diesem Schlitz (6) angeordnet ist und vom Gummikörper (100) mit einer elastischen Kraft beaufschlagt wird, und daß ein Paar Zuleitungsdrähte (7, 8) sich durch den Gummikörper (100) hindurch erstreckt und durch dessen elastische Kraft in elektrisch leitender Berührung mit den entsprechenden Elektroden (2, 3) des piezoelektrischen Scheibenresonators (10) gehalten wird, wobei jedesmal ein Ende des Zuleitungspaares (7, 8) als elektrischer Anschluß dient, während das andere Ende am Gummikörper (100) befestigt ist.
  2. 2. Piezoelektrische keramische Resonatoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende jedes Zuleitungsdrahtes des Paares (7, 8) umgebogen ist, um den Gummikörper (100) einzuklemmen.
  3. 3. Piezoelektrische keramische Resonatoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gummikörper (100) eine Härte von 10 bis 60 Einheiten der Shore-A-Skala hat.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE518651C (de) * 1928-02-20 1931-02-18 Gramophone Co Ltd Piezoelektrische Kristallanordnung
CH256673A (de) * 1944-07-20 1948-08-31 Standard Telephon & Radio Ag Piezoelektrischer Resonator.
DE947480C (de) * 1951-11-27 1956-08-16 Kristall Verarbeitung Neckarbi Halterung fuer Schwingquarze
DE1140602B (de) * 1960-03-31 1965-12-02 Sonotone Corporation, Elmsford, N. Y. (V. St. A.) Piezoelektrischer Schwingungswandler

Patent Citations (4)

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