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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.
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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.
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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).
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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Andere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung.
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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.
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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.
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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.
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Die Arbeitsweise der piezoelektrischen keramischen Resonatoreinheit
wird unter Bezug auf die F i g. 2 und 3 eingehend beschrieben.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.