DE2936887C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Stimmgabel gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie beispiels­ weise aus der US-PS 36 59 230 bekannt ist.

Bei der aus der US-PS 36 59 230 bekannten Stimmgabel ist auf den Schenkeln der Stimmgabel piezoelektrisches Material auf Paaren von Oberflächen angeordnet, die in der Ruhelage der Stimmgabel in einer Ebene liegen. Im Betrieb schwingen die beiden Schenkel gegensinnig, ohne ihren Abstand zu verändern. Bei dieser bekannten Stimm­ gabel ist die Plazierung der piezoelektrischen Wandler äußerst kritisch, da eine Verschiebung der Wandler um geringe Strecken im Millimeterbereich zu erheblichen Verschiebungen der Frequenz der Stimmgabel führt. Daher dürfen die piezoelektrischen Wandler nicht im Bereich der freien Enden der Schenkel angeordnet werden. Darüber hinaus führen geringe Größenänderungen der Wandler zu deutlichen Effekten in bezug auf unterschiedliche Dämpfung.

Weiterhin ist aus dem Stand der Technik eine piezoelek­ trische Stimmgabel bekannt, wie sie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist. Diese Stimmgabel weist einen im allgemeinen U-förmigen Abstimmvibrator 1 auf, der so aus einem Metallstreifen gebogen ist, daß zwei einander gegenüber- und nebeneinanderliegende Schenkel 2 und 3 entstehen, die die Schenkel der U-Form bilden. Jeder der Schenkel 2 und 3 ist mit einer Elektrodenschicht 6 oder 7 versehen, die auf einer entsprechenden piezo­ elektrischen Keramikplatte 4 oder 5 angeordnet ist und diese überlappt, welche wiederum an einer der äußeren oder inneren Flächen, beispielsweise der inneren Fläche des entsprechenden Schenkels 2 oder 3, angeklebt ist. Eine derartige Anordnung läßt sich, insbesondere wenn der Abstimmvibrator 1 durch einen gebogenen Metallstreifen gebildet ist, nur bis zu einer gewissen Grenze verkleinern. Die Verwendung eines Klebstoffs zur Befestigung der piezo­ elektrischen Keramikplatten 4 und 5 an den entsprechenden Schenkeln 2 und 3 beeinflußt die Leistung der Stimmgabel bis zu einem solchen Grad nachteilig, daß der Einfluß des Klebstoffs nicht außer acht gelassen werden kann.

Weiterhin ist von der Anmelderin eine piezoelektrische Stimmgabel vorgeschlagen worden, wie sie in Fig. 2 sowie der US-Patentanmeldung 9 08 819 dargestellt ist. Die piezo­ elektrische Stimmgabel gemäß Fig. 2 besteht aus einem im allgemeinen U-förmigen Abstimmvibrator 10, der durch Einschneiden in einen im allgemeinen rechteckigen Metall­ block gebildet ist, um zwei einander gegenüber- und neben­ einanderliegende Schenkel 11 und 12 zu bilden, die die einander gegenüberliegenden Schenkel der U-Form bilden. Jeder der Schenkel 11 und 12 ist mit einer aufgedampften Elektrodenschicht 13 oder 14 versehen, die die entsprechen­ den piezoelektrischen Schichten 15 oder 16 bedeckt, wobei die piezoelektrischen Schichten 15 und 16 aus einem piezo­ elektrischen Material wie beispielsweise ZnO, welches an der äußeren Fläche des entsprechenden Schenkels 11 oder 12 in einer bekannten Zerstäubertechnik aufgebracht worden ist, bestehen können. Zwar weist die in Fig. 2 dargestellte Stimmgabel Vorteile auf gegenüber der Stimmgabel gemäß Fig. 1, es wären jedoch weitere Verbes­ serungen wünschenswert, die sich auf eine noch kompaktere Bauweise, insbesondere bei der Massenfertigung, sowie genauere Abmessungen und einen einfacheren Aufbau beziehen.

Aus "Journal of Applied Physics, Vol. 38, No. 5, Seite 2350-2358 (April 1967)" ist es bekannt, ein Vibrator­ element durch ein Gasphasen-Plattierverfahren mit einer piezoelektrischen Schicht zu versehen. Durch einen Komposit­ aufbau von Kadmiumsulfit und Quarz soll erreicht werden, daß der Vibrator bei Frequenzen oberhalb von 100 MHz betrieben werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von der in der gattungsbildenden gemäßen US-PS 36 59 230 offenbarten Stimmgabel Stimmgabeln weiterzuentwickeln und eine Stimm­ gabel zur Verfügung zu stellen, die einfach auch auf dem Wege der Massenproduktion in kompakter Bauweise herge­ stellt werden kann und bei welcher geringe Änderungen der Größe und der Plazierung der piezoelektrischen Wandler weniger kritisch sind als beim Stand der Technik.

Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Hierbei kann die Elektrodenschicht durch Beschichtung aus der Gasphase aufgebracht werden, beispielsweise eine Metallaufdampftechnik, Zerstäubungstechnik, Ionenplattier­ technik oder eine chemische Dampfbeschichtung, die an sich bereits bekannt sind. Die piezoelektrische Schicht kann aus einem bekannten piezoelektrischen Material, beispielsweise ZnO, bestehen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Hierbei kann eine zusätzliche Elektrodenschicht vorgesehen werden, die entweder auf der gleichen Seite des Abstimmvibrators angeordnet ist wie die erste Elektrodenschicht, oder aber auf der gegen­ überliegenden Seite.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der fol­ genden Figuren beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine bekannte piezoelektrische Stimmgabel in perspektivischer Darstellung;

Fig. 2 eine andere bekannte piezoelektrische Stimm­ gabel in perspektivischer Darstellung;

Fig. 3 bis 5 verbesserte piezoelektrische Stimmgabeln gemäß der vorliegenden Erfindung in perspekti­ vischer Darstellung; und

Fig. 6 eine weitere Ausführungsform einer piezoelektri­ schen Stimmgabel im Schnitt entlang der Schnittlinie VI-VI gemäß Fig. 3.

In den Fig. 3 bis 6 sind gleiche Teile mit gleichen Be­ zugsziffern benannt.

Die in der Fig. 3 gezeigte piezoelektrische Stimmgabel besteht aus einem plattenähnlichen Abstimmvibrator 20 mit zwei einander gegenüber und nebeneinanderliegenden Schenkeln 21 und 22 und einem Steg 23, der im rechten Winkel zu den Längsachsen jedes Schenkels 21 und 22 liegt und dessen einander gegenüberliegenden Enden einstückig mit den ent­ sprechenden Schenkeln 21 und 22 ausgebildet sind. Der Ab­ stimmvibrator 20 kann entweder durch Ausstanzen oder Photo­ ätzen eines Teils aus einer im wesentlichen rechteckigen Platte aus elektrisch leitfähigem Material hergestellt wer­ den um einen im wesentlichen länglichen Ausschnitt 24, der von einem Ende bis in die Nähe des gegenüberliegenden Endes der rechteckigen Platte reicht, zu bilden, wobei auf den ent­ sprechenden Seiten des Ausschnittes 24 Schenkel 21 und 22 stehengelassen werden. Der Abstimmvibrator 20 kann aus ir­ gendeinem bekannten elektrisch leitenden Metall bestehen, aber eine sich nicht ausdehnende Eisen-Nickel-Legierung, d. h. eine Metallegierung mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einer konstanten Elastizität wie beispielsweise das allgemein bekannte "Elinvar" wird bevorzugt.

Soweit aus der Fig. 3 ersichtlich, ist der Abstimmvi­ brator 20 mit einer piezoelektrischen Schicht 25 aus irgend­ einem bekannten piezoelektrischen Keramikmaterial wie bei­ spielsweise ZnO versehen, welches eine der einander gegenüber­ liegenden Seiten des Abstimmvibrators 20 bedeckt. Die Aus­ bildung der piezoelektrischen Schicht 25 auf der Oberfläche des Abstimmvibrators 20 kann durch irgendein bekanntes Platierverfahren aus der Gasphase einschließlich einem physikalischen Aufdampfverfahren wie beispielsweise Metall­ aufdampfen, Zerstäuben oder Ionenplatieren und einem chemi­ schen Aufdampfverfahren erfolgen.

Die piezoelektrische Stimmgabel ist weiterhin mit einer im wesentlichen U-förmigen Elektrodenschicht 26 versehen, die zwei nebeneinanderliegende lange Abschnitte 26 a und 26 b und einen kurzen Abschnitt 26 c aufweist, wobei die ein­ ander gegenüberliegenden Enden des kurzen Abschnittes 26 c einteilig mit den langen Abschnitten 26 a und 26 b ausgebil­ det sind und diese miteinander verbinden, um die Abschnitte 26 a, 26 b und 26 c zu einer U-Form zusammenzufügen. Obwohl die Elektrodenschicht 26 auf der piezoelektrischen Schicht 25 durch irgendein bekanntes Elektrodenherstellverfahren, vor­ zugsweise durch ein Metallaufdampfverfahren aufgebracht worden ist, ist diese so aufgebracht, daß die Längsachse jedes langen Abschnittes 26 a und 26 b zur gedachten Mittel­ linie X durch den entsprechenden Schenkel 21 oder 22 parallel zur Längsachse des Schenkels in Richtung zum Ausschnitt 24 hin versetzt ist.

Zur Herstellung eines elektrischen Anschlusses sind der Abstimmvibrator 20 und die Elektrodenschicht 26 mit ent­ sprechenden Zuführdrähten 27 und 28 elektrisch leitend ver­ bunden.

Ausgehend davon, daß während des Betriebes an den Ab­ stimmvibrator 20 über den Draht 27 ein elektrisches Signal angelegt ist, schwingt der Abstimmvibrator mit einer be­ stimmten Frequenz in einer Ebene parallel zur Elektroden­ schichtebene, wobei die Schenkel 21 und 22 sich periodisch aufeinander zu und voneinander weg bewegen, kann an der Elektrodenschicht 26 über den Draht 28 ein Ausgangssignal erhalten werden und umgekehrt.

Bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 3 sind die langen Abschnitte 26 a und 26 b der Elektrodenschicht 26 als sich nahe dem Ausschnitt 24 entlang der Seitenteile der ent­ sprechenden Schenkel 21 und 22 erstreckend, beschrieben. Bei der in der Fig. 4 gezeigten Ausführungsform jedoch ist eine im wesentlichen U-förmige Elektrodenschicht 29, die funktionsmäßig der Schicht 26 in der Fig. 3 entspricht, mit zwei nebeneinanderliegenden langen Abschnitten 29 a und 29 b und einem kurzen Abschnitt 29 c, die zusammen eine U-Form bilden, auf der piezoelektrischen Schicht 25 so angeordnet, daß die Längsachsen jedes langen Abschnittes 29 a und 29 b zur entsprechenden Mittellinie X in Richtung weg vom Aus­ schnitt 24 versetzt sind.

Selbst eine piezoelektrische Stimmgabel, wie sie in der Fig. 4 dargestellt ist, kann auf ähnliche Art und Weise wie die in der Fig. 3 gezeigte Stimmgabel zufriedenstellend arbeiten.

Bei der in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsform sind zwei Elektrodenschichten 30 und 31 auf der piezoelek­ trischen Schicht 25 angeordnet. Da jede der inneren und äußeren Elektrodenschichten 30 und 31 zwei nebeneinander­ liegende lange Abschnitte 30 a oder 31 a und 30 b oder 31 b und einen kurzen Abschnitt 30 c oder 31 c aufweist, die alle im wesentlichen U-förmig angeordnet sind, sind die Elektro­ denschichten 30 und 31 entsprechend ähnlich den Elektroden­ schichten 26 und 29 gemäß den Fig. 3 und 4 angeordnet. Mit anderen Worten erstreckt sich jeder der langen Abschnitte 30 a und 30 b der Elektrodenschicht 30 entlang der einen Sei­ te des entsprechenden Schenkels 21 oder 22 nahe dem Aus­ schnitt 24 und auf der einen Seite der zugehörigen Mittel­ linie X nahe dem Ausschnitt 24 während jeder der langen Ab­ schnitte 31 a und 31 b der Elektrodenschicht 31 sich entlang der vom Ausschnitt 24 abgewandten Seite des zugehörigen Schenkels 21 oder 22 auf der anderen Seite der zugehörigen Mittellinie X abgewandt zum Ausschnitt 24 erstreckt.

Bei der in der Fig. 5 gezeigten Anordnung sind die Zu­ führdrähte 27 und 28 elektrisch leitend mit den Elektroden­ schichten 30 und 31 verbunden.

Die piezoelektrische Stimmgabel mit dem in der Fig. 5 gezeigten Aufbau kann ähnlich wie ein Doppelvibrator wir­ ken und daher verglichen mit der in den Fig. 3 und 4 ge­ zeigten piezoelektrischen Stimmgabel eine relativ hohe elektromechanische Signalumwandlungsleistung erzeugen.

Bei der in der Fig. 6 gezeigten Ausführungsform ist der Abstimmvibrator 20 an den einander gegenüberliegenden Sei­ ten mit entsprechenden piezoelektrischen Schichten 32 und 33 beschichtet, die jeweils eine U-Form aufweisen und mit ersten und zweiten Elektrodenschichten 34 und 35 versehen sind. Die erste Elektrodenschicht 34 ist auf der piezo­ elektrischen Schicht 32 ähnlich wie die Elektrodenschicht 26 der Fig. 3 aufgebracht, während die zweite Elektroden­ schicht 35 auf der piezoelektrischen Schicht 33 ähnlich wie die Elektrodenschicht 29 der Fig. 4 aufgebracht ist.

Die Bildung jeder der piezoelektrischen Schichten 32 und 33 auf der entsprechenden Seite des Abstimmvibrators 20 erfolgt durch ein im vorstehenden bereits beschriebenes Platierverfahren aus der Gasphase.

Die piezoelektrische Stimmgabel mit dem in der Fig. 6 gezeigten Aufbau arbeitet ähnlich wie die in Fig. 5 gezeig­ te Stimmgabel.

Anzumerken ist, daß bei der in Fig. 5 gezeigten Aus­ führungsform jedes Schenkelpaar 30 a und 31 a und die Schen­ kel 30 b und 31 b auf den entsprechenden Seiten der zuge­ hörigen Mittellinie X und in gleichem Abstand zu dieser angeordnet sein können. Die Anmerkung gilt ebenso für die Elektroden 34 und 35 der Fig. 6.

Die piezoelektrische Stimmgabel mit der in jeder der Fig. 3 bis 6 gezeigten Bauweise und gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Praxis in irgendeiner bekannten Art und Weise gehaltert, bevorzugt entweder durch einen Träger­ stift (nicht dargestellt), der an der Einrichtung an einer, einem Bewegungsknoten des Vibrators 20 entsprechenden Posi­ tion befestigt ist, oder durch einen Steg (nicht dargestellt) gehaltert, der am Steg 25 des Vibrators 20 befestigt oder festgeschweißt ist.

Claims (5)

1. Piezoelektrische Stimmgabel mit einem plattenförmigen Abstimmvibrator, der aus einer Platte elektrisch leit­ fähigen Materials so gestanzt ist, daß zwei gegenüber- und nebeneinanderliegende Schenkel und ein dazwischen liegender Steg mit verlängertem Querschnitt entstehen, wobei der Steg im rechten Winkel zur Längsachse jedes der Schenkel verläuft und an seinen einander gegenüber­ liegenden Seiten einstückig mit den entsprechenden Schenkeln verbunden ist, und
mit wenigstens einer piezoelektrischen Schicht, die zumindest auf einem der in einer Ebene lie­ genden Schenkeloberflächenpaare des Abstimmvibrators angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,

• a) daß die piezoelektrische Schicht (25, 32, 33) zumindest ein gesamtes in einer Ebene liegendes Schenkeloberflächen­ paar des Abstimmvibrators (20) bedeckt, und
• b) daß auf der piezoelektrischen Schicht (25, 32, 33) wenigstens eine Elektrodenschicht (26, 29, 30, 31, 34, 35) aufgebracht ist, die zwei symmetrisch zur zentralen Längsachse der Stimmgabel angeordnete gegenüberliegende Schenkelbereiche (26 a, 26 b; 29 a, 29 b; 30 a, 30 b, 31 a, 31 b) aufweist, deren Längsachse jeweils auf einer der beiden Seiten der ge­ dachten, auf halber Breite verlaufenden Mittellinie (X) des zugehörigen Schenkels (21 bzw. 22) und parallel zur Längsachse des Schenkels verläuft, und
• c) daß diese Elektrodenschicht einen weiteren, quer zu den Schenkelbereichen (26 a, 26 b; 29 a, 29 b; 30 a, 30 b; 31 a, 31 b) verlaufenden und einstückig mit diesen ausgebildeten Schenkelbereich (26 c, 29 c, 30 c, 31 c) auf­ weist.

2. Stimmgabel nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schenkelbereiche (26 a, 26 b) der Elektrodenschicht (26) innerhalb des durch die Mittel­ linie (X) begrenzten Bereichs angeordnet sind.

3. Stimmgabel nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schenkelbereiche (29 a, 29 b) der Elektrodenschicht (29) außerhalb des durch die Mittel­ linie (X) begrenzten Bereichs angeordnet sind.

4. Stimmgabel nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schenkelbereiche (30 a, 30 b) der Elektrodenschicht (30, 34) innerhalb und die Schenkel­ bereiche (31 a, 31 b) der Elektrodenschicht (31, 35) außer­ halb des durch die Mittellinie (X) begrenzten Bereichs angeordnet sind.

5. Stimmgabel nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elektrodenschicht (34) auf der einen und die Elektrodenschicht (35) auf der anderen Seite des Abstimmvibrators (20) angeordnet ist.