DE2951888C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein piezoelektrisches Element (Fig. 3) mit einem piezoelektrischen Körper in Form einer quadrati­ schen oder rechteckigen Scheibe, einer ersten Elektrodenan­ ordnung auf der einen und einer zweiten Elektrodenanord­ nung auf der anderen Hauptfläche der Scheibe, wobei die Elek­ trodenanordnung derart ausgebildet und ansteuerbar sind, daß die Scheibe zu Flächenausdehnungsschwingungen in ihrer Ebene anregbar ist.

Piezoelektrische Elemente dieser Art sind aus der US-PS 32 41 092 bekannt. Zur Unterdrückung von Oberschwingungen der Grundschwingung im Flächenausdehnungsmodus werden zwei Elemente miteinander gekoppelt. Eine derartige Anordnung hat einen größeren Platzbedarf und erfordert zusätzliche elektrische Anschlüsse, wodurch die Fertigung aufwendi­ ger und teurer wird.

Aus der US-PS 27 71 561 ist ein piezoelektrisches Ele­ ment bekannt, das auf den Hauptflächen eines flachen rechteckigen piezoelektrischen Körpers je eine Elektro­ denanordnung aufweist. Jede Elektrode umgreift eine Ecke des piezoelektrischen Körpers, wobei die Ecken sich diagonal gegenüberliegen. Da es zur Ausbildung von Flächenausdehnungsschwingungen notwendig ist, daß ins­ besondere die Ecken frei schwingen können, führt eine zusätzliche Belegung der Ecke mit Elektrodenmaterial zu einer Störung der Flächenausdehnungsschwingungen. Diese Elektrodenanordnung ist somit für eine Verwen­ dung dieser Schwingungsmodi nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungs­ gemäße piezoelektrische Element so auszubilden, daß bei einer Schwingung im Flächenausdehnungsmodus höhere harmo­ nische Schwingungen der Grundschwingung wirksam unter­ drückt werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Die Unteransprüche betreffen vor­ teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Durch das Anbringen der Zusatzelektrode auf dem piezoelektrischen Element können die unerwünsch­ ten Schwingungen unterdrückt werden, ohne daß zu­ sätzliche Schaltungsmaßnahmen erforderlich sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer piezoelektrischen Vorrichtung,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II von Fig. 1,

Fig. 3a, 3b, 3c eine Draufsicht auf die Oberseite, eine Drauf­ sicht auf die Unterseite und eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Elementes,

Fig. 4a und 4b Draufsicht auf Ober- bzw. Unterseite der Grund­ platte, die in das Gehäuse der piezoelektrischen Vorrich­ tung von Fig. 1 eingebaut ist,

Fig. 5 eine Explosions-Seitenansicht der piezo­ elektrischen Vorrichtung aus Fig. 1, die die eingebauten Bestandteile zeigt,

Fig. 6 eine Draufsicht auf die Bauteile von Fig. 5,

Fig. 7 ein Schaltbild der piezoelektrischen Vorrichtung von Fig. 1,

Fig. 8a und 8b Draufsicht und Seitenansicht eines piezoelektrischen Elements in einer anderen Ausführungsform als Fig. 3,

Fig. 9a und 9b Draufsicht und Seitenansicht eines piezoelektrischen Elements in einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 10 und 11 Kurven, die die Dämpfungseigenschaften von piezoelektrischen Elementen gemäß der Erfindung bzw. gemäß dem Stand der Technik zeigen,

Fig. 12a bis 12c Draufsicht, Seitenansicht und Ansicht von unten eines herkömmlichen piezoelektrischen Elements,

Fig. 13a, 14a und 15a eine schematische Darstellung der Wellen­ form, die in einem herkömmlichen piezoelektrischen Ele­ ment erzeugt werden,

Fig. 13b, 14b und 15b eine schematische Darstellung der Wellen­ form, die im erfindungsgemäßen piezoelektrischen Element erzeugt werden,

Fig. 16 einen Querschnitt durch eine andere piezoelektrische Vorrichtung von Fig. 2,

Fig. 17 eine Explosions-Seitenansicht, die die in die in Fig. 16 gezeigte piezoelektrische Vorrichtung eingebauten Bau­ teile zeigt,

Fig. 18 eine Draufsicht auf die Bauteile von Fig. 17,

Fig. 19a und 19b Draufsicht und Ansicht von unten einer Grund­ platte, die in das Gehäuse der piezoelektrischen Vor­ richtung von Fig. 16 eingebaut ist,

Fig. 20a ein Schaltbild der piezoelektrischen Vorrichtung von Fig. 16,

Fig. 20b ein Schaltbild der piezoelektrischen Vorrichtung von Fig. 16 mit einer zusätzlichen Verbindung,

Fig. 21 einen Querschnitt durch eine weitere piezoelektrische Vorrichtung,

Fig. 22 eine Explosions-Seitenansicht, die die in die piezoelek­ trische Vorrichtung von Fig. 21 eingebauten Bauteile zeigt,

Fig. 23 eine Draufsicht auf die Bauteile von Fig. 22,

Fig. 24a und 24b Draufsicht und Ansicht von unten auf eine Grund­ platte, die in das Gehäuse der piezoelektrischen Vorrich­ tung von Fig. 21 eingebaut sind,

Fig. 25a ein Schaltbild der piezoelektrischen Vorrichtung von Fig. 21,

Fig. 25b ein Schaltbild der piezoelektrischen Vorrichtung von Fig. 21 mit zusätzlichen Verbindungen,

Fig. 26a und 26b Drauf- und Seiten-Explosionsansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform der piezoelektrischen Vorrichtung,

Fig. 26c eine teilweise gebrochene Seitenansicht der piezo­ elektrischen Vorrichtung in der zweiten erfindungsge­ mäßen Ausführungsform,

Fig. 27a, 27b und 27c ähnliche Ansichten wie Fig. 32a, 32b und 32c, aber in einer anderen Ausführungsform,

Fig. 28a bis 30b erläuternde Ansichten von piezoelektrischen Elemen­ ten, die die Position von Vibrationsknotenpunkten und Vibrationsarten in jedem piezoelektrischen Element zeigen,

Fig. 31a bis 31c Kurven, die die Widerstands- und Resonanzfrequenz- Eigenschaften des piezoelektrischen Elements in Abhängig­ keit von einer Änderung des Abstützstückes unter drei ver­ schiedenen Abstützbedingungen zeigen.

Fig. 1 bis 7 zeigen eine Ausführungsform D 1 einer piezoelektrischen Vorrichtung. Die piezoelektrische Vorrichtung D 1 dieser Ausführungsform hat, von oben gesehen, ein rechteckiges Gehäuse 1 und vier Kontaktbeine 2, 3, 4 und 5. Die zwei Kontaktbeine 2 und 3 ragen auf der einen Seite aus dem rechteckigen Gehäuse 1 heraus, während die anderen Kontaktbeine 4 und 5, wie in Fig. 1 gezeigt, auf der entgegengesetzten Seite her­ ausragen.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt der piezoelektrischen Vorrichtung D 1 gezeigt. Das Gehäuse 1 enthält einen Rahmen 6, der vier Seiten des Gehäuses 1 bildet, einen oberen Deckel 7 und einen Bodendeckel 8. Der obere Deckel 7 hat einen Vorsprung 7 a, der nach unten von der Mitte des Deckels 7 aus ins Gehäuse ragt. Entsprechend hat der Boden­ deckel 8 einen Vorsprung 8 a, der nach oben in das Gehäuse 1 ragt. Zwi­ schen den Vorsprüngen 7 a und 8 a ist eine piezoelektrische Anordnung ge­ halten. In dieser Ausführungsform enthält die piezoelektrische An­ ordnung ein erstes piezoelektrisches Element 9, das unter dem Vor­ sprung 7 a liegt, und ein zweites piezoelektrisches Element 10, das auf dem Vorsprung 8 a liegt. Diese piezoelektrischen Elemente 9 und 10 haben den gleichen Aufbau und werden später in Zu­ sammenhang mit Fig. 3a und 3c beschrieben. Die piezoelektrische Anordnung enthält ferner einen Kondensator 11, der in eine Öffnung 12 e der Grundplatte eingefügt ist, wobei die Grundplatte 12 durch den Rahmen 6 starr in der Mitte des Gehäuses 1 gehalten wird und mit aufgedruckten Elektroden versehen ist, die später beschrie­ ben werden. Zwischen dem ersten piezoelektrischen Element 9 und dem Kondensator 11 ist eine anisotrop leitfähige biegsame Platte unter­ gebracht, z. B. eine Gummiplatte 13, die Teilchen aus elektrisch leitfähigem Material enthält, die in der Dickenrichtung der Gummi­ platte so angeordnet sind, daß eine elektrische Verbindung nur in dieser Dickenrichtung hergestellt wird.

Zwischen dem Kondensator 11 und dem zweiten piezoelektrischen Element 10 ist eine weitere Gummiplatte 14, die die gleichen Eigenschaften wie die Gummiplatte 13 aufweist, angeordnet.

Die Gummiplatten 13 und 14 werden nicht nur für die elektrische Verbindung zwischen den Elektroden im piezoelektrischen Element und den Elektroden auf der Grundplatte verwendet, sondern auch zur Absorp­ tion der mechanischen Schwingungen des piezoelektrischen Elementes. Die Gummiplatte 13 ist rechteckig und erstreckt sich parallel zur Rich­ tung der Kontaktbeine 2 und 3, wie Fig. 6 zeigt.

Im folgenden werden die Einzelheiten der piezoelektrischen Elemente 9 und 10 beschrieben. Da die Elemente 9 und 10 den gleichen Aufbau haben, wird nur Element 9 im Detail beschrieben.

Wie Fig. 3a bis 3c zeigt, enthält das piezoelektrische Element 9 einen piezoelektrischen Körper 15 in quadratischer Form und drei Elektro­ den, die auf den Körper 15 auf eine herkömmliche Weise aufge­ schichtet sind, z. B. durch Aufdrucken, Aufbrennen, Galvanisieren, Kathodenzerstäubung, Ablagerung, Ätzen, usw. Die Mittelelektrode 16 a ist auf dem mittleren Teil einer ersten Oberfläche des Körpers 15 aufgeschichtet. Die Randelektrode 16 b, ist auf dem Randteil des Kör­ pers 15 aufgeschichtet. Die dritte Elektrode 16 c ist auf der gesam­ ten zweiten Oberfläche des Körpers 15 als Beschichtung aufgebracht (Fig. 3b). Ein Teil der Randelektrode 16 b ist vom Rest der Randelek­ trode 16 b durch einen geeigneten Spalt getrennt. Dieser Teil der aufgeteilten Randelektrode, im folgenden als Zusatzelektrode 16 d be­ zeichnet, ist mit der dritten Elektrode 16 c über eine geeignete Verbindungselektrode 16 e verbunden. In einer bevorzugten Ausführungs­ form erstreckt sich die Verbindungselektrode 16 e in einer Nut 15 a, die in einer Seite des piezoelektrischen Körpers 15 ausgebildet ist.

Das oben beschriebene piezoelektrische Element vom Drei-Elektroden-Typ, arbeitet als Resonator speziell zur Be­ nutzung in Filtern.

Da alle Elektroden des piezoelektrischen Elements 9 auf einer ersten Oberfläche auftreten, kann die notwendige elektri­ sche Verbindung auf der ersten Oberfläche durchgeführt werden.

Gemäß Fig. 4a und 4b ist die Grundplatte 12 dieser Ausführungs­ form aus nicht leitendem Material gefertigt und hat vier Seiten 12 a, 12 b, 12 c und 12 d. Die eine flache Oberfläche der Grundplat­ te 12 trägt zwei längliche aufgedruckte Elektroden 20 a und 20 b aus Kupferplättchen, die parallel zueinander in der Nähe der Seiten 12 a bzw. 12 c verlaufen, wie Fig. 4a zeigt. Die Anbringung der Elektroden auf der Grundplatte 12 kann nicht nur durch Aufdrucken erfolgen, sondern ebenso mit Hilfe von anderen Methoden, wie z. B. Aufbrennen, Galvanisieren, Zerstäubung, Ab­ lagerung und Ätzen. Jeweils ein Ende der Elektroden 20 a bzw. 20 b endet an der Seite 12 d, während das andere Ende im mittle­ ren Teile nahe der entgegengesetzten Seite 12 b endet. In gleicher Weise sind zwei längliche Elektroden 20 c und 20 d auf der anderen flachen Oberfläche der Grundplatte 12 aufgedruckt, wie Fig. 4b zeigt. Die Öffnung 12 e in der Mitte ist zum Einfügen des Konden­ sators 11 vorgesehen.

Fig. 5 und 6 zeigen die Art, in welcher die Bestand­ teile in das Gehäuse eingebaut werden. Zuerst werden die Kontaktbeine 2, 3, 4 und 5 auf die Elektroden 20 a, 20 b, 20 c bzw. 20 d aufgelötet. Dann wird der Rahmen 6, der zuerst in einen oberen und einen unteren Teil getrennt ist, zum Halten der Grundplatte 12 und zum Bil­ den einer oberen und unteren Kammer im Rahmen 6 angebrcht. Dann wird der Kondensator 11, der ungefähr die gleiche Dicke wie die Grundplatte 12 hat, in die Öffnung 12 e eingebracht. Daraufhin wird in der oberen Kammer die Gummiplatte 13 quer über der Grund­ platte 12 so angebracht, daß das Mittelteil der Grundplatte 13 zumindest einen Teil des Kondensators 11 überdeckt, und daß die entgegengesetzten Endteile der Gummiplatte 13 jeweils eine der zwei auf der Grundplatte 12 aufgedruckten Elektroden überdecken. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rahmen 6 mit vier Vorsprüngen 6 a, 6 b, 6 c und 6 d versehen, um die Position der Gummi­ platte 13 festzulegen. Das piezoelektrische Element 9 wird auf der Gummiplatte 13 angeordnet, wobei die erste Oberfläche des Elements 9 der Gummiplatte 13 zugekehrt ist, um die elektrische Ver­ bindung durch die Gummischicht 13 zwischen den Elektroden auf dem Element 9 den Elektroden auf der Grundplatte 12 und dem Kondensator herzustellen. Speziell wird über die Gummiplatte 13 die Mittelelektrode 16 a des Elements 9 mit dem Konensator 11, die Randelektrode 16 b mit der gedruckten Elektrode 20 b und die Zusatzelektrode 16 d mit der gedruckten Elektrode 20 a verbunden. Da die Gummiplatte 13 eine elektrische Verbindung nur in ihrer Dickenrichtung erlaubt, tritt keine elektrische Verbindung außer den oben beschriebenen auf. Um die Position des piezoelektrischen Elements 9 festzulegen, ist es vorteilhaft, Vorsprünge 6 e und 6 f im Rahmen 6 vorzusehen. Der obere Deckel 7 wird auf dem piezo­ elektrischen Element 9 angebracht und mit seinem Randteil auf den Rahmen 6 aufgeklebt um die obere Kammer abzudichten und das piezo­ elektrische Element 9 durch den Vorsprung 7 a abzustützen. Da der Vorsprung 7 a das Mittelteil des piezoelektrischen Elements 9 an einem Knotenpunkt abstützt, kann das piezoelek­ trische Element 9 ohne Behinderung schwingen. Die untere Kammer wird in der gleichen Weise die die obere Kammer aufgebaut. Fig. 7 zeigt ein Schaltdiagramm der piezoelektrischen Vorrichtung D 1.

Es muß erwähnt werden, daß die Verbindung zwischen der Zuatz­ elektrode 16 d und der dritten Elektrode 16 c ohne Ausbildung irgend­ einer Nut bewirkt werden kann, wie Fig. 8a und 8b zeigt, oder mittels einer Verbindungselektrode, die sich durch ein Loch 15 b im piezo­ elektrischen Körper 15 erstreckt, wie Fig. 9a und 9b zeigen.

In der oben beschriebenen Ausführungsform wurde von den Er­ findern herausgefunden, daß die Anwendung der Zusatzelektrode 16 d auf der ersten Oberfläche in vorteilhafter Weise den Störmode im Aus­ gangssignal des piezoelektrischen Elements 9 unterdrückt. Die Kurve von Fig. 10 zeigt die Störmode-Eigenschaften des erfindungsgemäßen piezoelektrischen Elements 9 mit einer Mittenfrequenz von 455 KHz, während die Kurve von Fig. 11 die Störmode-Eigenschaften eines her­ kömmlichen piezoelektrischen Elements mit der gleichen Mitten­ frequenz zeigt. Das herkömmliche piezoelektrische Element gemäß Fig. 12a bis 12c weist keine Zusatzelektrode auf. Aus den Kur­ ven von Fig. 10 und 11 ist zu ersehen, daß die Störmoden im Frequenzbereich zwischen 1 und 2 MHz durch den Einbau eines erfindungsgemäßen piezoelektrischen Elements unterdrückt werden.

Auch wenn nicht klar ist, warum das erfindungsgemäße piezo­ elektrische Element die Störmoden unterdrückt, erscheint es so, daß die Zusatzelektrode 16 d den durch die Störmoden verursachten Schwingungsbauch oder -ausschlag abschwächt. Die gestrichelten Linien in den Fig. 13a und 13b zeigen die Wellenform einer Grund­ schwingung zu einem bestimmten Zeitpunkt im herkömmlichen bzw. im erfindungsgemäßen piezoelektrischen Element. Entsprechend zeigen die gestrichelten Linien von Fig. 14a und 14b die Wellen­ form der dritten harmonischen Oberschwingung, und die gestrichelten Linien 15 a und 15 b die der fünften harmonischen Oberschwingung. Die Fig. 13a bis 15b zeigen die Art und Weise, in welcher die Zusatz­ elektrode 16 d die Schwingungen der Störmoden abschwächt.

Ferner hat die Anordnung der Elektroden auf den erfindungsgemäßen piezoelektrischen Elemen­ ten 9 und 10 jeweils auf einer ihrer Oberflächen den Vorteil, daß die elektrische Verbindung zwischen dem piezo­ elektrischen Element und verschiedenen Teilen der Vorrichtung leicht ausgefüht werden kann, und daß die Vorrichtung in kom­ pakter Bauweise hergestellt werden kann.

Die Fig. 16 bis 20b zeigen eine Modifikation der oben be­ schriebenen piezoelektrischen Vorrichtung D 1. Da die piezoelek­ trische Vorrichtung D 2 dieser Modifikation einen ähnlichen Aufbau wie die Vorrichtung D 1 hat, werden nur die Unterschiede zwischen den Vorrichtungen D 1 und D 2 beschrieben.

Als erstes enthält die piezoelektrische Vorrichtung D 2 keinen in die Grundplatte 12 eingefügten Kondensator 11, der in Zusammenhang mit der Vorrichtung D 1 beschrieben worden ist. Des­ halb ist die Grundplatte 12 nicht mit einer Öffnung versehen.

Jedes der piezoelektrischen Elemente 9′ und 10′ hat zwei Elek­ troden, wie in Fig. 18 gezeigt, anstatt von dreien, die erste Elek­ trode 16 a′ ist auf der ersten Oberfläche des piezoelektrischen Körpers 15 gemeinsam mit der Zusatzelektrode 16 d′ aufgeschichtet, und die zweite Elektrode 16 d′ ist auf der gesamten zweiten Ober­ fläche des Körpers 15 aufgeschichtet. Die Verbindungselektrode 16 e′ ist auf der Seitenfläche des Körpers 15, dort wo er vertieft ist, aufgeschichtet, um die zweite Elektrode 16 b′ und die Zusatzelek­ trode 16 d′ miteinander elektrisch zu verbinden. Das oben beschrie­ bene piezoelektrische Element vom Zwei-Elektroden-Typ arbeitet als Resonator speziell für die Benutzung in Oszillatoren und Siebketten. Es ist unnötig zu sagen, daß die Zusatzelektrode 16 d′ den Störmode unterdrückt. Da das piezoelektrische Element 9′ in Reihe geschaltet ist, wie aus Fig. 20a zu sehen ist, kann es so ausgestaltet werden, daß es eine größere Kapazität als das piezoelektrische Element 10′ hat, welches parallel geschaltet ist. Um dies zu erreichen, wird der piezoelektrische Körper 15 des Elements 9′ dicker gebaut als der des Elements 10′, und/oder die erste Elektrode 16 a′ des Elements 9′ wird nur auf dem Mittelteil der ersten Oberfläche des Körpers 15 aufgeschichtet.

In den Fig. 19a und 19b hat die Grundplatte 12 vier Elektroden 21 a, 21 b, 21 c und 21 d in gleicher Weise wie die Elektroden von Fig. 4a und 4b aufgedruckt sind, mit Ausnahme der gedruckten Elektrode 21 b, die sich zur Mitte der Grundplatte 12 erstreckt. Diese Elektrode 21 d ist besonders in dem Falle nützlich, wo das piezoelektrische Element 9′ eine Elektrode geringer Größe in der Mitte des piezoelektrischen Körpers aufgeschichtet hat, um die Kapazität zu vergrößern.

Zunächst wird die Verbindung der Elektroden auf der Grund­ platte 12 mit den Kontaktbeinen beschrieben. Wenn, entsprechend Fig. 18, das piezoelektrische Element 9′ auf der ersten Ober­ fläche der Grundplatte 12 über der Gummiplatte 13 angebracht ist, ist die erste Elektrode 16 a′ des Elements 9′ über die Gummi­ platte 13 mit der gedruckten Elektrode 21 b verbunden, die wiederum mit dem Kontaktbein 3 verbunden ist, während die zweite Elektrode 16 b′ über die Verbindungselektrode 16 e′, die Zusatzelektrode 16 d′ und die Gummiplatte 13 mit der ge­ druckten Elektrode 21 a verbunden ist, welche wiederum mit dem Kontaktbein 2 verbunden ist. In gleicher Weise ist, wenn das piezoelektrische Element 10′ auf der zweiten Oberfläche der Grundplatte 12 über der Gummiplatte 13 angebracht ist, die erste Elektrode 16 a′ des Elements 10′ mit dem Kontaktbein 5 verbunden, während die zweite Elektrode 16 b′ des Elements 10′ mit dem Kontaktbein 4 verbunden ist. Ein Schaltbild der oben beschriebenen Anordnung zeigt Fig. 20a.

Wenn aber die Kontaktbeine 3 und 5 entweder innerhalb oder außerhalb des Gehäuse 1 miteinander verbunden sind, bildet die piezoelektrische Vorrichtung D 2 einen Siebkettenschaltkreis, wie Fig. 20b zeigt. Im Falle, daß der Kettenschaltkreis durch eine interne Verbindung gebildet wird, ist die gedruckte Elektrode 21 d mit der gedruckten Elektrode 21 b statt mit dem Kontaktbein 5 verbunden und die gedruckte Elektrode 21 c mit dem Kontaktbein 5, zusätzlich zum Kontaktbein 4.

Die Fig. 21 bis 25b zeigen eine weitere Ausführungsform D 3 der oben beschriebenen piezoelektrischen Vorrichtung D 1.

In Fig. 21 enthält die piezoelektrische Vorrichtung D 3 ein Drei-Elektroden-Piezoelement 9, das in der oberen Kammer in gleicher Weise wie oben beschrieben abgestützt ist, und enthält zwei Chips mit Kondensatoren 24 und 25 anstelle des piezoelektrischen Elements 10 in der unteren Kammer. Der Kon­ densator 24 ist rechteckig und seine Kontakte 24 a und 24 b sind an den gegenüberliegenden Enden vorgesehen. Der Kondensator 25 hat den gleichen Aufbau wie der Kondensator 24 und hat Kontakte 25 a und 25 b an gegenüberliegenden Enden, wie Fig. 23 am besten zeigt. Das Muster der gedruckten Elektroden auf der Grundplatte 12 ist in Fig. 24a und 24b gezeigt.

Die Grundplatte 12 hat zwei gedruckte Elektroden 22 a und 22 b auf ihrer ersten Oberfläche, wie Fig. 24a zeigt, und drei gedruckte Elektroden 22 c, 22 d und 22 e auf der zweiten Oberfläche, wie Fig. 24b zeigt. Die Lage, in der sich die Kondensatoren 24 und 25 befinden, ist durch eine strichpunktierte Linie gezeigt. Die Kondensatoren 24 und 25 sind mit Hilfe eines leitfähigen Klebemittels oder durch Anlöten an ihrem jeweiligen Platz ange­ bracht, um die Kontakte 24 b und 25 b mit der gedruckten Elektrode 22 c auf der Grundplatte 12 zu verbinden, und um die Kontakte 24 a und 25 b mit der gedruckten Elektrode 22e bzw. 22 d zu verbinden.

Da die Grundplatte 12 fünf aufgedruckte Elektroden hat, weist das Gehäuse 1 fünf Kontaktbeine auf. Die zwei Kontaktbeine 2 und 3 ragen auf der einen Seite des Gehäuses 1 hervor und sind mit den gedruckten Elektroden 22 a bzw. 22 b verbunden. Die restlichen drei Kontaktbeine 4, 26 und 5 ragen aus der entgegengesetzten Seite des Gehäuses 1 hervor und sind mit den gedruckten Elektroden 22 e, 22 d bzw. 22 c verbunden.

Im folgenden wird die Verbindung zwischen den Elektroden auf der Grundplatte 12 und den Kontaktbeinen beschrieben. Die Fig. 23 ist, wenn das Zwei-Elektroden-Piezoelement 9′ auf der ersten Ober­ fläche der Grundplatte 12 über der Gummiplatte 13 angebracht ist, die erste Elektrode 16 a′ des Elements 9′ über die Gummiplatte 13 mit der gedruckten Elektrode 22 a verbunden, welche wiederum mit dem Kontaktbein 2 erbunden ist, während die zweite Elektrode 16 b′ über die Verbindungselektrode 16 e′, die Zusatzelektrode 16 d′ und die Gummiplatte 13 mit der gedruckten Elektrode 23 b verbunden ist, welche wiederum mit dem Kontaktbein 3 verbunden ist. Wenn die Kon­ densatoren 24 und 25 in der oben beschriebenen Weise an der Grund­ platte 12 angebracht sind, ist der Kondensator 24 zwischen den Kon­ taktbeinen 4 und 5 angeschlossen, während der Kondensator 25 zwischen den Kontaktbeinen 26 und 5 angeschlossen ist. Da in der unteren Kammer kein piezoelektrisches Element eingebaut ist, besteht der untere Deckel 8′ aus einer ebenen quadratischen Platte. Ein Schaltbild der obigen Ausführungsform zeigt Fig. 25a.

Wenn die Kontaktbeine 3 und 26 miteinander verbunden sind, und gleichzeitig die Kontaktbeine 2 und 4, ist, wie Fig. 25b zeigt, ein Teil eines Rückkopplungsschaltkreises zur Benutzung in einem Oszillator hergestellt. Diese Verbindungen können entweder innerhalb oder außerhalb des Gehäuses 1 hergestellt werden. Zur Herstellung des Schaltkreises gemäß Fig. 25b ist es möglich, die gedruckten Elektroden so anzuordnen, daß die Elektroden 24 a und 25 a der Kondensatoren 24 bzw. 25 mit den Elektroden 16 a′ und 16 b′ des piezoelektrischen Elements 9′ im Gehäuse verbunden sind, während die anderen Elektroden 24 b und 25 b miteinander und wiederum mit dem Kontaktbein 5 ver­ bunden sind. In diesem Falle ist es nicht nötig, die Kontakt­ beine 4 und 26 vorzusehen, und bevorzugt sollte das Kontakt­ bein 5 gabelförmig sein.

Auch wenn die oben beschriebenen Ausführungsformen den Fall betreffen, daß das Gehäuse 1 nur ein oder zwei piezo­ elektrische Elemente enthält, ist es möglich, mehr piezoelektri­ sche Elemente einzubauen. In diesem Falle ist es vorteilhaft, die Grundplatte zu vergrößern und die zusätzlichen piezoelektri­ schen Elemente neben den schon eingebauten auf der Grundplatte 12 anzuordnen. Ferner kann die Betriebsfrequenz der piezoelektrischen Elemente voneinander verschieden sein. Zum Beispiel kann das eine bei 455 KHz arbeiten, während ein anderes piezoelektrisches Element bei 10,7 MHz arbeitet. Die Form der piezoelektrischen Elemente kann nicht quadratisch, z. B. ein Kreis, sein.

Zudem kann die Grundplatte so gestaltet sein, daß sie ein Chip eines integrierten Schaltkreises trägt, der mit dem piezoelektrischen Element innerhalb des Gehäuses 1 verbunden sein kann.

In den Fig. 32a bis 32c ist eine piezoelektrische Vorrichtung D 4 gezeigt, die eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform des Elementes verwendet. Die piezoelektrische Vorrichtung D 4 enthält ein Gehäuse 40, ein Zwei-Elektroden-Piezoelement 41 in Scheibenform und zwei Kontakt­ teile 42 und 43 aus leitfähigem Material. Das Kontaktteil 42 ist aus einer quadratischen Metallplatte gefertigt, die einen Vorsprung 42 a in ihrer Mitte und ein Kontaktbein 42 b aufweist, das sich von der einen Seite der Platte nach unten erstreckt. In gleicher Weise hat das Kontaktteil 43 einen Vorsprung 43 a und ein Kontaktbein 43 b. Das piezoelektrische Element 41 enthält einen scheibenförmigen Körper 44, eine erste Elektrode 45 a, die auf der ersten flachen Oberfläche des Körpers 44, mit Ausnahme eines Randteiles, ausge­ schichtet ist, eine zweite Elektrode 45 b, die auf der gesamten zweiten Oberfläche des Körpers 44 aufgeschichtet ist, eine zu­ sätzliche Elektrode 45 c, die auf dem ausgesparten Randteil der ersten Oberfläche isoliert von der ersten Elektrode aufgeschich­ tet ist und eine Verbindungselektrode 45 d, die auf der Seite des Körpers 44 zur Verbindung der zweiten Elektrode 45 b und mit Zusatz­ elektrode 45 c aufgeschichtet ist. Es ist vorteilhaft, eine Nut in der Seite des Körpes 44 in axialer Richtung auszubil­ den, um die Verbindungselektrode darin aufzuschichten.

Es soll angemerkt werden, daß auch diese Zusatzelektrode den Störmode in der oben beschriebenen Weise unterdrückt.

Wenn das piezoelektrische Element 41 und die Kontaktteile 42 und 43 in das Gehäuse 40 eingebaut sind, ragen die Kontakt­ beine 42 a und 43 a zur äußeren Kontaktierung aus dem Gehäuse 40 heraus, und das piezoelektrische Element 41 ist zwischen den Vorsprüngen 42 a und 43 a in seiner Mitte, wo die Knotenpunkte der Schwingung liegen, gehalten. Wenn ein spezielles Signal zwi­ schen den Kontaktbeinen 42 a und 43 a angelegt wird, kann das piezo­ elektrische Element 41 ohne Behinderung frei schwingen.

Die Fig. 33a bis 33c zeigen eine piezoelektrische Vor­ richtung D 5 , die eine Modifikation der Vorrichtung D 4 ist. Die piezoelektrische Vorrichtung D 5 enthält ein Gehäuse 40, ein Drei-Elektroden-Piezoelement 46 in Scheibenform, und drei Kon­ taktteile 47, 48 und 49 aus leitendem Material. Das piezoelektrische Element 46 enthält einen scheibenförmigen piezoelektrischen Körper 50, eine erste Elektrode 51 a, die im Mittelteil einer ersten Oberfläche des Körpers 50 aufgeschichtet ist, eine zweite Elektrode 51 b, die auf dem Bandteil der ersten Oberfläche unter Aussparung eines Randteiles aufgeschichtet ist, eine dritte Elektrode 51 c, die auf der gesamten anderen Oberfläche (zweiten Oberfläche) des Körpers 50 aufgeschichtet ist, eine Zusatzelektrode 51 d, die auf dem ausgesparten Rand­ teil der ersten Oberfläche isoliert von der ersten und zweiten Elektrode 51 a und 51 b aufgeschichtet ist, und eine Verbindungs­ elektrode 51 e, die auf der Seite des Körpers 50 zur Verbindung der dritten Elektrode 51 c und der Zusatzelektrode 51 d aufge­ schichtet ist. Die Verbindungselektrode 51 e ist in einer Nut im Körper 50 untergebracht.

Das Anschlußteil 47 aus einer quadratischen Metallplatte hat einen Vorsprung 47 a in seiner Mitte und ein Kontaktbein 47 b. Das Anschlußteil 48 weist eine quadratische Platte mit einem Vor­ sprung 48 a in ihrer Mitte und einem Kontaktbein 48 b auf, das sich von einer Seite der quadratischen Platte aus erstreckt. Das Anschlußteil 49 hat zwei parallele Arme 49 a und 49 b und ein Kon­ taktbein 49 c, die in Form eines F angeordnet sind. Die Arme 49 a und 49 b sind bogenförmig gekrümmt.

Wenn das Piezoelement 46 und die Anschlußteile 47, 48 und 49 im Gehäuse 40 eingebaut sind, ragen die Kontaktbeine 47 a, 48 a und 49 a aus dem Gehäuse 40 heraus und das Piezoelement 46 ist zwischen den Vorsprüngen 47 a und 48 a in seiner Mitte, wo die Schwingungsknotenpunkte liegen, gehalten. Die bogenförmigen Arme 49 a und 49 b sind in Kontakt mit der zweiten Elektrode 51 b. Da das Piezoelement dieser Ausführungsform einen größeren Durch­ messer hat als das oben beschriebene Piezoelement 41, sind die Teile, wo die zweite Elektrode 51 b in Kontakt mit den Armen 49 a und 49 b liegen, die Schwingungsknotenpunkte. Diese Eigenschaft wird im folgenden im Detail erläutert.

Im Falle von Fig. 34a und 34b, wo das piezoelektrische Ele­ ment eine quadratische Form hat, liegen die Knotenpunkte der Schwingung in der Mitte des Elements und ebenso in der Mitte je­ der Seite. Mit anderen Worten, das quadratische piezoelektrische Element hat fünf Schwingungknotenpunkte. Deshalb kann das Piezo­ element, solange es in seinen Knotenpunkten gehalten ist, frei schwingen.

Im Falle von Fig. 35a und 35b, wo das piezoelektrische Ele­ ment kreisförmige Form hat, mit einer Grundfrequenz, die als Mittenfrequenz angenommen wird, liegt der Schwingungsknotenpunkt nur in der Mitte des Elements. Deshalb kann dieser Typ von piezo­ elektrischem Element nur in seiner Mitte gehaltert werden. Wenn aber die dritte harmonische Oberschwingung als Mittenfrequenz angenommen wird, und der Durchmesser auf das Dreifache vergrößert wird, erscheinen die Schwingungsknoten außer in der Mitte noch an vier verschiedenen Punkten, die ¹/₃ D (D = Durchmesser des groß­ formatigen piezoelektrischen Elements) vom Mittelpunkt des Elements entfernt sind und jeweils miteinander bezüglich des Mittelpunkts rechte Winkel bilden. Diese vier Punkte liegen in der zweiten bzw. Rand­ elektrode. Deshalb kann, wenn ein kreisförmiges piezoelektri­ sches Element vom Drei-Elektroden-Typ in die Vorrichtung ein­ gebaut ist, die Randelektrode mit Anschlußteilen in solchen Knotenpunkten in Kontakt gehalten werden, um so den elektrischen Kontakt zu gewährleisten und eine freie Schwingung des Elements zu ermöglichen. In einer solchen Ausführungsform ist es aber unvermeid­ lich, daß die Vorrichtung eine Größe bekommt, wie sie Fig. 33a bis 33c zeigt. Von diesem Gesichtspunkt ist es vorteilhaft, ein flexibles Material zu verwenden, das die Elektroden auf dem Piezoelement mit den jeweiligen Kontaktteilen elektrisch verbin­ det, und gleichzeitig die Vibration absorbiert, um ein freies Schwingen des Elements zu bewirken, so daß kleinformatige Piezo­ elemente auch für den Drei-Elektroden-Typ verwendet werden können.

Zu diesem Zweck wird eine biegsame Platte von isotroper, an­ isotroper oder druckabhängigerLeitfähigkeit zwischen das piezo­ elektrische Element und das zugehörige Anschlußteil eingebaut. Die isotrop leitfähige biegsame Platte ist eine elastische Platte, die Teilchen aus elektrisch leitfähigem Material enthält, die statistisch angeordnet sind, um eine elektrische Leitfähigkeit in allen Richtungen zu bewirken, wie in einem Metallblech. Die anisotrop leitfähige biegsame Platte ist eine elastische Platte, die elek­ trisch leitfähige Teilchen enthält, die in einer vorbestimmten Richtung in Richtung der Dicke angeordnet sind, um eine elek­ trische Leitfähigkeit nur in der Dickenrichtung zu erlauben. Das druckabhängige leitfähige Plättchen ist eine elastische Platte die eine elektrische Leitfähigkeit in der Richtung ihrer Dicke an dem Punkt aufbaut, wo ein vorgegebener oder höherer Druck aufgebaut wird. Da diese drei Plattentypen im Stand der Technik bekannt sind, wird eine weitere Beschreibung übergangen.

Die isotrop leitfähig Platte ist speziell geeignet, wenn nur eine einzige Verbindung zwischen einer Oberfläche des Piezo­ elements und dem entsprechenden Anschlußteil erforderlich ist, wie z. B. in der Vorrichtung D 6 von Fig. 38a bis 38c. Die anisotrop oder die druckabhängig leitfähige Platte ist nicht nur geeignet für Einzelverbindungen wie oben beschrieben, sondern auch für zwei oder mehr Verbindungen die zwischen einer Oberfläche des piezoelektrischen Elements und den zugehörigen Anschlußteilen erforderlich ist, wie z. B. in der Vorrichtung D 7 von Fig. 40a bis 40c. Da das anisotrop und das druckabhängige leitfähige Plätt­ chen die gleichen Eigenschaften haben, werden sie im allgemeinen als "richtungsabhängig leitfähige biegsame Platten" bezeichnet. In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Gummiplatte mit anisotropen Leitungseigenschaften benutzt, auch wenn andere Typen benutzt werden können. Es soll bemerkt werden, daß der Ausdruck "Gummiplatte", der hier benutzt wird, eine Gummiplatte meint, die anisotrope Leitungseigenschaften hat.

Da die Gummiplatte das Piezoelement an anderen Punkten als den Schwingungsknotenpunkt abstützen kann, d. h. dort wo das Element schwingt, ist es möglich, die Abmessungen von Drei- Elektroden-Piezoelementen klein zu halten.

Zusätzlich zum obengenannten hat der Einbau der Gummi­ platte den Vorteil, daß Resonanzfrequenz und Wider­ stand des Piezoelements stabil werden, unabhängig vom Druck, der zum Abstützen auf das Element aufgebracht wird.

Die Fig. 37a bis 37c zeigen Widerstandskurven und Resonanz­ frequenzkurven in Abhängigkeit vom Abstützdruck. Fig. 37a zeigt eine Widerstandskurve R 1 und eine Resonanzfrequenzkurve fr die man erhält, wenn ein Zwei-Elektroden-Piezoelement zwischen zwei Vorsprüngen in der Mitte des Elements, wo der Vibrationsknoten­ punkt liegt, gehalten ist. Fig. 37b zeigt die gleichen Kurven R 1 und fr, die man erhält, wenn das Zwei-Elektroden-Piezoelement zwischen einem Vorsprung am Vibrationsknotenpunkt aufliegt, während die ebene Platte auf der gesamten Oberfläche liegt. Fig. 37c zeigt die gleichen Kurven R 1 und fr, die man erhält, wenn das Zwei- Elektroden-Piezoelement zwischen einem Vorsprung und einer Gummi­ platte gehalten ist. In diesem Fall liegt die Gummiplatte über einer ebenen Anschlußplatte. Wie aus den drei Kurven zu sehen ist, zeigen der Widerstand R 1 und die Resonanzfrequenz fr ein stabiles Verhalten, wenn die Gummiplate eingebaut wird. Auch wenn die obigen Kurven unter Verwendung eines Zwei-Elektroden-Piezoelements aufgenommen werden, erhält man ein ähnliches Ergeb­ nis, wenn ein Drei-Elektroden-Piezoelement eingebaut wird. Des­ halb ist es, wenn eine Gummiplatte verwendet wird, nicht nötig, den Abstützdruck zu berücksichtigen.

Claims (5)

1. Piezoelektrisches Element (Fig. 3) mit einem piezoelek­ trischen Körper in Form einer quadratischen oder rechtecki­ gen Scheibe, einer ersten Elektrodenanordnung auf der einen und einer zweiten Elektrodenanordnung auf der anderen Haupt­ fläche der Scheibe, wobei die Elektrodenanordnung derart aus­ gebildet und ansteuerbar sind, daß die Scheibe zu Flächenaus­ dehnungsschwingungen in ihrer Ebene anregbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen Hauptfläche der Scheibe (15) in einem von der ersten Elek­ trodenanordnung (16 a, 16 b) freigelassenen Randbereich etwa im Bereich der Längsmitte einer Seitenkante dieser Haupt­ fläche eine Zusatzelektrode (16 d) als Dämpfungselektrode für höhere Harmonische der Flächenausdehnungsschwingung angeordnet und durch eine sich von der einen zur anderen Hauptfläche erstreckende Verbindungselektrode (16 e) mit der zweiten Elektrodenanordnung (16 c) verbunden ist.

2. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Elektrodenan­ ordnung eine Mittelelekrode (16 a, 51 a) im mittleren Teil der ersten Hauptfläche und eine davon getrennte Randelektrode (16 b, 51 b), die den Randbereich der ersten Hauptfläche mit Ausnahme des für die Zusatzelektrode (16 d) freige­ lassenen Bereiches einnimmt, aufweist.

3. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrodenanordnung aus einer Elektrode (16 c, 16 b′, 45 b, 51 c) besteht, die als Beschichtung über die gesamte zweite Hauptflä­ che aufgebracht ist.

4. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Nut (15 a) aufweist, die im Bereich der Längsmitte der Seitenoberfläche des piezoelektrischen Körpers (15) zwischen dem ausgespar­ ten Randteil und der zweiten Hauptfläche zur Aufnahme der Verbindungselektrode (16 e, 51 e) ausgebildet ist.

5. Piezoelektrisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es im Bereich der Längs­ mitte einer Seitenkante ein Loch (15 b) im piezoelektri­ schen Grundkörper (15) zwischen dem Randteil (16 d) und der zweiten Oberfläche zur Aufnahme der Verbindungselektrode (16 e) aufweist.