DE4322144C2

DE4322144C2 - Vibratoreinheit

Info

Publication number: DE4322144C2
Application number: DE4322144A
Authority: DE
Inventors: Hiroaki Kaida; Jiro Inoue
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1992-07-03
Filing date: 1993-07-02
Publication date: 1997-06-05
Anticipated expiration: 2013-07-03
Also published as: US5627425A; US5442251A; DE4322144A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vibratoreinheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Im Zusammenhang mit Vorrichtungen, die Schwingungsquellen zur Erzeu gung mechanischer Schwingungen enthalten, können sich allgemein die fol genden Anforderungen ergeben: (1) Die Vorrichtung sollte so ausgebildet sein daß die von der Schwingungsquelle erzeugten Schwingungen nicht als Leck schwingungen nach außen übertragen werden. (2) Die Schwingungsquelle sollte so in der Vorrichtung gelagert sein, daß ihre Schwingung nicht behin dert wird.

Ein Beispiel einer im Hinblick auf die Anforderung (1) ausgelegten Vorrich tung enthält eine Anordnung, die als Schwingungsquelle dienen kann, bei spielsweise einen Motor oder einen Kompressor. Wenn die Schwingung eines solchen Motors oder Kompressors direkt auf ein Gehäuse oder einen Rahmen der Vorrichtung übertragen wird, können sich feste Teile des Gehäuses oder Rahmens lockern, und/oder es kommt zu einer starken Lärmemission. Bei einer solchen Vorrichtung sollte deshalb die Schwingung der Schwingungs quelle in der Vorrichtung eingeschlossen bleiben, oder es ist zu fordern, daß die Schwingung der Schwingungsquelle nicht von der Vorrichtung auf andere Teile übertragen wird, beispielsweise auf den Boden in einem Bereich, in dem die Vorrichtung installiert ist.

Andere Beispiele und Vorrichtungen, bei denen die Anforderung (1) besteht, sind Analog-Plattenspieler und Eisenbahnanlagen über Erdniveau. Bei einem Analog-Plattenspieler ist zu fordern, daß die von einem Lautsprecher erzeug ten Schallschwingungen nicht auf das Abspielgerät übertragen werden. In ei nem solchen Gerät, bei dem der Lautsprecher die Schwingungsquelle bildet, ist deshalb vorzugsweise zwischen dem Lautsprecher und dem Abspielgerät eine Einrichtung eingefügt, die die Schwingungen dämpft oder unterdrückt, damit Rückkopplung vermieden wird. Bei Eisenbahnanlagen führen die bei der Durchfahrt eines Zuges erzeugten Schwingungen zur Abgabe von nieder frequentem Schall an die Umgebung. Auch bei solchen Eisenbahnanlagen soll te deshalb vorzugsweise verhindert werden, daß die bei der Durchfahrt eines Zuges erzeugten Schwingungen auf den Boden übertragen werden.

Ein Beispiel einer Vorrichtung, bei der die Anforderung (2) besteht, weist da gegen ein Teil auf, das mit einer bestimmten Frequenz schwingen soll, bei spielsweise eine Stimmgabel oder einen Piezo-Resonator. Bei einer solchen Vorrichtung wird eine Einrichtung zum Halten der als Schwingungsquelle dienenden Stimmgabel oder des Resonators benötigt, die die Schwingungen nicht behindert. D.h., es besteht Bedarf an einer Einrichtung, mit der die Schwingungsquelle mechanisch gehalten werden kann, ohne daß die Schwin gungen behindert werden.

Bei einer Vorrichtung des Typs (1) wird üblicherweise eine schwingungs dämpfende Einrichtung mit einem Federelement wie etwa einer Schrauben feder oder einem elastischen Material wie etwa Gummi verwendet, um zu verhindern, daß die Schwingung der Schwingungsquelle auf andere Teile übertragen wird. Es ist jedoch nicht möglich, die Schwingung der Schwin gungsquelle ausreichend zu unterdrücken.

Auch bei der Vorrichtung des Typs (2) wird allgemein eine Halteeinrichtung mit einem schwingungsabsorbierenden Element, beispielsweise einer Feder, verwendet. Es ist jedoch oft schwierig, eine einfach aufgebaute Halteein richtung zu schaffen, mit der sich die Schwingungsquelle, wie etwa ein Reso nator oder eine Stimmgabel, so halten läßt, daß Schwingungen derselben nicht behindert werden.

In einem Piezo-Resonator im Kilohertzbereich werden üblicherweise die fol genden Typen von Schwingungsquellen eingesetzt: (1) ein Resonator, der mit einer Dehnungsschwingungsmode einer rechteckigen piezoelektrischen Plat te arbeitet, (2) ein Resonator, der mit einer Längsschwingungsmode eines stabförmigen piezoelektrischen Elements arbeitet, so daß sich das stabförmi ge Element in Längsrichtung ausdehnt und zusammenzieht, und (3) ein pie zoelektrischer Stimmgabelresonator.

Ein Piezo-Resonator wird zu Schwingungen angeregt, wenn eine Spannung an seinen Resonanzschwinger angelegt wird. Um einen solchen Piezo-Resonator in der Form eines praktisch verwendbaren Bauelements zu schaffen, muß der Piezo-Resonator so abgestützt werden, daß der Resonanzschwinger nicht an Resonanzschwingungen gehindert wird. Ein Piezo-Resonator mit Energieein schluß, d. h., ein Resonator, bei dem die Schwingungsenergie in einem be grenzten Raumbereich eingeschlossen bleibt, kann mechanisch in einem Be reich außerhalb seines Schwingers abgestützt werden, da die Schwingungse nergie in dem schwingenden Teil eingeschlossen bleibt. Im Hinblick auf die praktische Anwendung in einem Produkt ist deshalb ein solcher Piezo-Reso nator mit Energieeinschluß einfacher einzusetzen, und für Piezo-Resonatoren im Kilohertzbereich ist deshalb dieser Typ besonders wünschenswert.

Bei den oben genannten bekannten Resonatoren, bei denen (1) eine Deh nungsschwingungsmode oder (2) eine Längsschwingungsmode verwendet wird, ist es jedoch äußerst schwierig, einen Einschluß der Schwingungsener gie zu erreichen.

Bei einem piezoelektrischen Stimmgabelresonator läßt sich zwar ein Energieeinschluß erreichen, doch ergibt sich aufgrund von Beschränkungen der Schwingungsmode nur eine Bandbreite im Bereich von 2% der Reso nanzfrequenz.

Eine Vibratoreinheit der eingangs genannten Gattung ist aus der US-PS 3 490 056 bekannt. Ein mechanischer Oszillator ist dort durch Haltemittel an seinen Enden eingespannt und in der Mitte durch ein weiteres Haltemittel in der Form eines Kreuzes gehalten. Ein Arm des Kreuzes bildet einen Schwingungsaufnahmeteil, der mit dem Kreuzbalken ein Schwinger ist, dessen Eigenfrequenz gleich der Frequenz einer Schwingung des Oszillators ist.

DE 29 39 844 C2 wie auch die DE 32 20 032 A1 zeigen eine Vibratoreinheit, deren Oszillator durch federnde Elemente gehalten ist.

Nach Den Hartog et al.: "The Theory of the Dynamic Vibration Absorber"; TRANSACTION OF THE AMERICAN SOCIETY OF MECHANICAL ENGINEERS, APM-50-7, S. 9-21; kann eine dynamische Schwingungs beseitigung durch eine periodische Kraft erreicht werden, die die gleiche Frequenz und Amplitude wie die Schwigung hat, jedoch in entgegen gesetzter Richtung wirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vibrator einheit mit an Haltemitteln gehaltenem mechanischen Oszillator so auszubilden, daß Leckschwingungen von dem Oszillator nicht nennenswert nach außen übertragen werden.

Diese Aufgabe wird mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Erfindungsgemäß sind Schwingungsbeseitigungsmittel so ausgebildet, daß sie in einem Biegemodus schwingen, wodurch sich eine dynamische Dämpfung der von der Schwingungsquelle übertragenen Schwingungen mit einer relativ einfach aufgebauten Anordnung erreichen läßt.

Die Erfindung ermöglicht es somit, bei einer Vorrichtung, die eine Schwin gungsquelle wie etwa einen Motor oder Kompressor enthält, die Geräuschbil dung oder die Ausbreitung von Schwingungen in die Umgebung zu verhin dern oder die Entstehung von niederfrequentem Schall bei Eisenbahnanlagen über Erdniveau zu vermindern. Bei einer Vorrichtung wie beispielsweise ei ner Bohrmaschine, bei der Schwingungen unerwünschterweise auf eine Be dienungsperson übertragen werden, ist es möglich, Störungen oder Unfälle zu vermeiden, indem die oben genannten Schwingungsbeseitigungsmittel zwischen dem schwingenden Teil und einem von der Bedienungsperson er faßten Teil eingefügt werden.

Eine Ausgestaltung der Erfindung betrifft einen Vibrator in der Form einer Piezo-Resonators mit einer als Schwingungsquelle dienenden Piezo-Resonanzeinheit, der einen mit einem Ende an die Piezo-Resonanzeinheit gekoppelten Schwingungs übertragungsteil und ein Resonanzteil als dynamischen Dämpfer aufweist, der mit dem Schwingungs übertragungsteil gekoppelt ist, so daß er durch die von der Piezo-Resonanzein heit empfangenen Schwingungen zu Resonanzschwingungen angeregt wird und so die übertragenen Schwingungen durch dynamische Schwingungs dämpfung beseitigt.

Bei dem Piezo-Resonator ist der Resonanzteil so ausge bildet, daß er durch die über den Schwingungsübertragungsteil übertragenen Schwingungen zu Resonanzschwingungen im Biegemodus angeregt wird. Ähnlich wie bei der eingangs beschriebenen Vibratoreinheit wird daher die übertragene Schwingung durch dynamische Schwingungsdämpfung ausge löscht, so daß diese Schwingung kaum auf Bereiche jenseits des Resonanz teils übertragen wird.

Wenn die Piezo-Resonanzeinheit in geeigneter Weise ausgelegt ist, so daß sie beispielsweise mit einer Längsschwingungsmode oder mit einer Querschwin gungsmode einer rechteckigen Platte arbeitet, ist es deshalb möglich, einen breitbandigen Piezo-Resonator mit Energieeinschluß zu schaffen, der im Kilo hertzbereich eingesetzt werden kann. Bei dem Piezo-Re sonator wird deshalb der Resonanzteil durch einen Schwinger gebildet, der Resonanzschwingungen im Biegemodus ausführt, wodurch es möglich ist, mit einer relativ einfachen Struktur einen Einschluß der Schwingungsenergie durch dynamische Schwingungsdämpfung zu erreichen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm zur Erläuterung des Grund prinzips der Erfindung;

Fig. 2 eine teilweise aufgeschnittene Frontansicht einer Testeinrichtung zur Darstellung des Prinzips der Erfindung;

Fig. 3A eine Auslenkungs-Zeit-Kurve für die Testeinrichtung nach Fig. 2;

Fig. 3B eine Auslenkungs-Zeit-Kurve für eine Testeinrichtung ohne Resonator;

Fig. 4A ein Blockdiagramm zur Erläuterung eines Anwen dungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 4B eine teilweise aufgeschnittene Frontansicht einer Vi bratoreinheit gemäß einem ersten Ausführungs beispiel der Erfindung;

Fig. 5A ein Blockdiagramm eines anderen Anwendungsbei spiels der Erfindung;

Fig. 5B eine teilweise aufgeschnittene Frontansicht einer An ordnung entsprechend dem Anwendungsbeispiel nach Fig. 5A;

Fig. 6(a) u. 6(b) Blockdiagramme zur Illustration von Abwandlungen des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung;

Fig. 7 eine teilweise aufgeschnittene Frontansicht einer Vi bratoreinheit entsprechend Fig. 6(a);

Fig. 8 ein Blockdiagramm eines zweiten Ausführungsbei spiels der Erfindung;

Fig. 9(a) u. 9(b) Grundrißskizzen eines Piezo-Resonators gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie einer auf der Unterseite eines piezoelektrischen Substrats des Resonators angebrachten Elektrode;

Fig. 10 eine teilweise aufgeschnittene Grundrißdarstellung einer Anordnung aus einer Piezo-Resonanzeinheit für Longitudinalschwingungen, mit einem daran gekop pelten Stab;

Fig. 11 eine teilweise aufgeschnittene Grundrißdarstellung einer weiteren Anordnung aus einer Piezo- Resonanzeinheit für Longitudinalschwingungen, mit einem daran gekoppelten Resonanzteil;

Fig. 12(a) u. 12(b) die Verteilung und die Absolutbeträge von Auslenkun gen längs einer X-Achse bei der Anordnung nach Fig. 10;

Fig. 13 die Verteilung der Auslenkungen bei der Anordnung nach Fig. 11;

Fig. 14 die Absolutbeträge von Auslenkungen in X-Richtung in Abhängigkeit von der Position auf der X-Achse, gemessen für eine Grundschwingung der Piezo- Resonanzeinheit und eine Grundschwingung des Resonanzteils im Biegemodus;

Fig. 15 eine Auslenkungskurve entsprechend Fig. 14 für den Fall, daß die Resonanzfrequenzen der Piezo- Resonanzeinheit und des Resonanzteils überein stimmen;

Fig. 16 bis 19 Auslenkungskurven entsprechend Fig. 15, für unter schiedliche Abmessungen des Resonanzteils;

Fig. 20 die Auslenkungsverteilung für den Fall, daß die Piezo- Resonanzeinheit und der Resonanzteil jeweils in der zweiten Oberschwingung angeregt sind;

Fig. 21 die Auslenkungskurve in Abhängigkeit von der Posi tion auf der X-Achse für die Schwingung nach Fig. 20;

Fig. 22 u. 23 Auslenkungskurven entsprechend Fig. 21, für unter schiedliche Abmessungen des Resonanzteils;

Fig. 24 die Auslenkungsverteilung für den Fall, daß die Piezo- Resonanzeinheit in der Grundschwingung und der Resonanzteil in der zweiten Oberschwingung im Biegemodus angeregt ist;

Fig. 25 die Auslenkungskurve für die Schwingung nach Fig. 25;

Fig. 26 u. 27 Auslenkungskurven entsprechend Fig. 25, für unter schiedliche Abmessungen des Resonanzteils;

Fig. 28 den Auslenkungszustand eines Schwingungsübertra gungsteils bei der Anordnung nach Fig. 11;

Fig. 29 bis 32 Auslenkungskurven für unterschiedliche Abstände P in Fig. 11, wobei Fig. 31 den Spezialfall zeigt, daß der Abstand P einem Schwingungsknoten entspricht;

Fig. 33 eine Grundrißskizze einer Abwandlung des Piezo- Resonators nach dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 34 eine Grundrißskizze einer weiteren Abwandlung des Piezo-Resonators nach dem zweiten Ausführungs beispiel, mit mehreren Resonanzteilen;

Fig. 35(a) u. 35(b) Grundrißskizzen eines Piezo-Resonators gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung und einer auf der Unterseite einer piezoelektrischen Platte desselben angebrachten Elektrode;

Fig. 36 eine perspektivische Ansicht eines elektronischen Bauelements, das einen erfindungsgemäßen Piezo- Resonator enthält und mit Leitungsanschlüssen und einem schützenden Kunststoffkörper versehen ist;

Fig. 37 eine Explosionsdarstellung eines chipförmigen Piezo- Resonanzbauelements mit einem Piezo-Resonator ge mäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 38 eine perspektivische Ansicht des Bauelements nach Fig. 37;

Fig. 39 eine Explosionsdarstellung eines chipförmigen Piezo- Resonanzbauelements mit einem Piezo-Resonator nach dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 40 eine perspektivische Ansicht des Bauelements nach Fig. 39.

Zunächst soll anhand der Fig. 1 das Grundprinzip der Erfindung erläutert werden. Fig. 1 ist ein schematisches Blockdiagramm einer erfindungsgemä ßen Vibratoreinheit mit Energieeinschluß.

Eine Schwingungsquelle (Oszillator) 1 wird durch ein geeignetes schwingungserzeugen des Bauelement gebildet, beispielsweise durch einen Motor, einen Kompres sor, einen Piezo-Resonator oder eine Stimmgabel. Schwingungsbeseitigungs mittel 2 in der Form eines dynamischen Dämpfers sind so angeordnet, daß sie die von der Schwingungsquelle 1a erzeug te Schwingung aufnehmen können. Die Schwingungsbeseitigungsmittel 1d, die dazu eingerichtet sind, die auf sie übertragenen Schwingungen auszulöschen, werden durch einen Resonanzteil gebildet, der durch die übertragene Schwingung zu Resonanzschwingungen im Biegemodus angeregt wird. Die spezielle Ausgestaltung der Schwingungsbeseitigungsmittel 1d ist geeignet an die von der Schwingungsquelle 1a übertragenen Schwingungen angepaßt, und ihre Resonanzfrequenz kann durch Änderung der Abmessungen, der Masse und dergleichen des Resonanzteils variiert werden, wenn die Schwingungs beseitigungsmittel 1d durch einen solchen Resonanzteil gebildet werden.

In der erfindungsgemäßen Vibratoreinheit mit Energieeinschluß wird die übertragene Schwingung durch die Schwingungsbeseitigungsmittel 1d ausge löscht, so daß sie nicht als Leckschwingung aus der Einheit herausgelangen kann.

Das oben genannte Phänomen der Auslöschung des Leckanteils der Schwin gung durch Resonanz des Resonanzteil, soll nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 2 bis 4 erläutert werden.

Fig. 2 ist eine teilweise aufgeschnittene Frontansicht einer Versuchsanord nung zur Aufklärung des Prinzips der Erfindung. Gemäß Fig. 2 ist eine Trag stange 4 aufrecht auf einer oberen Oberfläche einer Schwingungs-Testein richtung (Oszillator) 3 angeordnet. Ein Stahlstab 5, der in einem Biegemodus vibrieren kann, ist an einem in Vertikalrichtung mittleren Bereich der Tragstange 4 befestigt. Bei dem Stahlstab 5 handelt es sich um ein aus Stahl hergestelltes stabförmiges Element mit 180 mm Länge, 12 mm Breite und 15 mm Dicke mit einem Gewicht von 240 g und einer Resonanzfrequenz von etwa 1 kHz im Biegemodus. Bei der Tragstange 4 handelt es sich um ein säulenförmiges Ele ment aus Stahl mit einem Durchmesser von 8 mm, das durch ein Loch in der Mitte des Stahlstabes 5 hindurchgesteckt ist. Der Stahlstab 5 und die Trag stange 4 sind in dem in Fig. 2 gezeigten Zustand aneinander befestigt. So mit entspricht die Schwingungs-Testeinrichtung 3 einer Piezo-Resonanzein heit gemäß der Erfindung, und der Stahlstab 5 entspricht einem Resonanz teil, während ein unterhalb des Stahlstabes 5 liegender Teil der Tragstange 4 einem Schwingungsübertragungsteil entspricht.

Wenn man die Schwingungs-Testeinrichtung 3 in Vertikalrichtung mit einer Frequenz von 1 kHz vibrieren ließ, wie durch den Pfeil in Fig. 2 gezeigt wird, so führte der Stahlstab 5 eine Resonanzschwingung im Biegemodus aus, wodurch das obere Ende 4a der Tragstange 4 in der in Fig. 3A gezeigten Weise ausgelenkt wurde. Gemäß Fig. 3A war der Betrag ΔB der Auslenkung etwa 2,6 µm. Zum Vergleich wurde eine Tragstange 4 in aufrechter Stellung ohne Stahlstab 5 auf einer ähnlichen Schwingungs-Testeinrichtung 3 ange ordnet, und man ließ die Schwingungs-Testeinrichtung 3 in ähnlicher Weise vibrieren, wie oben beschrieben wurde. In diesem Fall wurde das obere Ende 4a der Tragstange 4 durch die Schwingung im Biegemodus in der in Fig. 3B gezeigten Weise in Querrichtung ausgelenkt, und der Betrag ΔA der Auslen kung war etwa 22,6 µm.

Aus einem Vergleich der Fig. 3A und 3B geht hervor, daß die von der Schwingungs-Testeinrichtung 3 durch die Tragstange 4 übertragene Schwin gung durch den Stahlstab 5 ausreichend gedämpft wurde.

Im Hinblick auf die Möglichkeit, daß die Schwingung durch die Masse des Stahlstabes 5 gedämpft wurde, führten die Erfinder ein weiteres Experiment durch, in dem sie die Frequenz der Schwingung so änderten, daß keine Re sonanz des Stahlstabes 5 auftrat. Im Ergebnis wurde bestätigt, daß der Betrag der Auslenkung des oberen Endes 4a der Tragstange 4 nicht in der in Fig. 3A gezeigten Weise unterdrückt wurde. Es zeigt sich somit, daß die übertra gene Schwingung nicht nur durch das Gewicht des Stahlstabes 5 gedämpft wurde, sondern daß diese Schwingung durch das oben erwähnte Phänomen der dynamischen Schwingungsdämpfung ausgelöscht wurde.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4A bis 7 werden nachfolgend Beispiele be schrieben, bei denen das Grundprinzip der Erfindung noch wirksamer ausge nutzt wird.

In Fig. 4A wird davon ausgegangen, daß eine Schwingungsquelle 6a Schwin gungen ausführt, bei denen sie sich periodisch zwischen den strichpunktiert und gestrichelt in Fig. 4A eingezeichneten Zuständen verformt. Wenn ein Schwingungsübertragungsteil 6b an einen Bereich der Schwingungsquelle 6a gekoppelt ist, der die maximale Auslenkung aufweist und ein zu Resonanz schwingungen im Biegemodus fähiger Resonanzteil (Dämpfer) 6c an das andere Ende des Schwingungsübertragungsteils 6b gekoppelt ist, so ist es möglich, die von der Schwingungsquelle 6a übertragene Schwingung in dem Resonanzteil 6c auszulöschen und so zu verhindern, daß die Schwingung als Leckschwingung an einen Halteteil 6e weitergeleitet wird, der über einen Kopplungsstab 6d an den Resonanzteil 6c gekoppelt ist. Bei diesem Beispiel ist der Schwin gungsübertragungsteil 6b an den Bereich der Schwingungsquelle 6a gekop pelt, der die stärkste Auslenkung aufweist, um durch diese Kopplung die Schwingung der Schwingungsquelle 6a zu unterdrücken, wodurch es möglich ist, die Übertragung der Schwingung an den Halteteil 6e noch wirksamer zu unterdrücken. Wenn der Halteteil 6e an anderen Teilen der Einheit oder an einer Bodenfläche befestigt ist, kann daher die Übertragung von Schwingun gen auf diesen Bereich der Einheit oder auf die Bodenfläche wirksam vermie den werden.

Fig. 4B zeigt in einer teilweise aufgeschnittenen Frontansicht ein typisches Beispiel einer Anordnung, die nach dem in Fig. 4A gezeigten Prinzip aufge baut ist. Gemäß Fig. 4B wird die Schwingungsquelle durch eine Pumpe 7a gebildet, die über einen als Schwingungsübertragungsteil dienenden Kop plungsstab 7b an eine den Resonanzteil bildende Resonanzplatte 7c gekop pelt ist. Ein weiterer Kopplungsstab 7d ist an die Unterseite der Resonanz platte 7c gekoppelt und auf einer Bodenfläche 7e befestigt. Die Resonanzplat te 7c erstreckt sich rechtwinklig zur Zeichenebene in Fig. 4B und ist so ausgebildet, daß sie die von der Pumpe 7a übertragenen Schwingungen auf nehmen kann und in einem Biegemodus oszilliert, wie durch Pfeile in Fig. 4B veranschaulicht wird. Der Kopplungsstab 7b ist an einen Bereich der Pum pe 7a gekoppelt, der die stärkste Auslenkung aufweist. Bei der in Fig. 4B gezeigten Anordnung wird somit die übertragene Schwingung durch die Re sonanzplatte 7c ausgelöscht, während der Kopplungsstab 7b mit dem Bereich der Pumpe 7a gekoppelt ist, der die maximale Auslenkung aufweist, wodurch erreicht wird, daß die Schwingung der Pumpe 7a kaum auf die Bodenfläche 7e übertragen wird. Auf diese Weise ist es möglich, das beim Betrieb der Pumpe 7a entstehende Geräusch zu vermindern.

Wie oben beschrieben wurde, wird die Schwingungsenergie in einem Bereich eingeschlossen, der bis zu der Resonanzplatte 7c reicht, die die Schwin gungsbeseitigungsmittel bildet. Wenn der vorgenann te Resonanzteil beispielsweise in einer Bohrmaschine zwischen einem die Schwingungsquelle bildenden Teil wie etwa einem Motor und einem von der Bedienungsperson erfaßten Teil angeordnet ist, ist es möglich, zu verhin dern, daß die Schwingung zur Hand der Bedienungsperson übertragen wird, so daß die Bedienungsperson gegen Schäden geschützt wird, die durch die Übertragung mechanischer Schwingungen verursacht werden könnten.

Andererseits kann es bei bestimmten Arten von Vibratoreinheiten erforder lich sein, die Schwingungsquelle mechanisch abzustützen, ohne daß die Schwingung derselben behindert wird. In diesem Fall können die Schwin gungsbeseitigungsmittel an einen Bereich der Schwingungsquelle gekoppelt werden, der die minimale Auslenkung aufweist. Beispielsweise wird in Fig. 6A davon ausgegangen, daß eine Schwingungsquelle 8a Schwingungen aus führt, bei denen sie sich periodisch zwischen den in durchgezogenen Linien und gestrichelten Linien eingezeichneten Zuständen verformt. In diesem Fall kann ein Schwingungsübertragungsteil 8c an einen Bereich 8b der Schwin gungsquelle 8a gekoppelt sein, in dem die kleinsten Auslenkungen auftreten, und ein als Schwingungsbeseitigungsmittel dienender Resonanzteil 8d kann an das andere Ende des Schwingungsübertragungsteils 8c gekoppelt sein. Da der Schwingungsübertragungsteil 8c an den Bereich 8b mit der kleinsten Auslenkung gekoppelt ist, wird die Schwingung der Schwingungsquelle 8a kaum beeinträchtigt. Außerdem wird die durch den Schwingungsübertra gungsteil 8c übertragene Schwingung durch den Resonanzteil 8d ausgelöscht, so daß die Schwingung in der Einheit eingeschlossen bleibt. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Schwingungsquelle 8a ungehindert in ihrem Schwin gungszustand oszillieren kann, ohne daß Leckschwingungen nach außen ge langen.

Fig. 5B ist eine teilweise aufgeschnittene Frontansicht einer konkreten Aus gestaltung des Beispiels nach Fig. 5a. Hier soll angenommen werden, daß eine Schwingungsquelle 9a Dehnungsschwingungen in Richtung der in Fig. 5B gezeigten Pfeile, also in ihrer Längsrichtung ausführt. Ein als Schwin gungsübertragungsteil 9c dienender Kopplungsstab ist an einen Bereich 9b auf der Unterseite der Schwingungsquelle 9a gekoppelt, in dem die kleinsten Auslenkungen auftreten. Eine Resonanzplatte 9d, die sich rechtwinklig zur Zeichenebene erstreckt, ist einstückig am anderen Ende des Kopplungssta bes 9c ausgebildet.

Die Resonanzplatte 9d ist so gestaltet, daß sie die über den Kopplungsstab 9c übertragenen Schwingungen aufnimmt und im Biegemodus schwingt, wie durch die Pfeile in Fig. 5B angegeben wird. Die übertragene Schwingung wird so durch Resonanz der Resonanzplatte 9d ausgelöscht. Wenn ein Kop plungsstab 9e, der an die untere Oberfläche der Resonanzplatte 9d gekoppelt ist, mit einer Bodenfläche 9f verbunden ist, kann so verhindert werden, daß Leckschwingungen auf die Bodenfläche 9f übertragen werden, ohne daß die Schwingung der Schwingungsquelle 9a durch die mechanische Abstützung behindert wird.

Bei den zuvor beschriebenen Beispielen sind die Resonanzteile 6c und 8d und die Resonanzplatten 7c und 9d, die als Schwingungsbeseitigungsmittel dienen, so ausgebildet, daß die von den Schwingungsquellen übertragene Schwingung ausgelöscht wird. Ein solcher Resonanzteil oder Resonator weist vorzugsweise eine Resonanzfrequenz auf, die zumindest annähernd mit der Frequenz der von der Schwingungsquelle übertragenen Schwingung überein stimmt, so daß die übertragene Schwingung wirksamer beseitigt werden kann.

Während weiterhin bei jedem der zuvor genannten Beispiele die von der Schwingungsquelle herrührende Schwingung durch den Resonanzteil oder die Resonanzplatte ausgelöscht wird, um die Übertragung der Schwingung auf andere Teile zu verhindern, ist es auch möglich, in der übertragenen Schwin gung, die mehrere Komponenten mit verschiedenen Moden enthält, nur eine bestimmte Schwingungskomponente mit einer bestimmten Frequenz oder einer bestimmten Schwingungsmode zu unterdrücken, indem die Resonanz frequenz des Resonanzteils oder Resonators geeignet gewählt wird, so daß selektiv eine Weiterleitung von Schwingungskomponenten in anderen Moden oder mit anderen Frequenzen zugelassen wird. Die Erfindung kann deshalb auch auf eine Vibratoreinheit wie beispielweise ei nen akustischen Filter angewandt werden, mit dem nur Schwingungen in ei ner bestimmten Mode oder mit einer bestimmten Frequenz ausgefiltert wer den.

Weiterhin ist es nicht zwingend erforderlich, den als Schwingungsbeseiti gungsmittel dienenden Resonanzteil oder die Resonanzplatte über den zuvor erwähnten starren Schwingungsübertragungsteil mit der Schwingungsquelle zu koppeln. Alternativ kann der Schwingungsübertragungsteil auch durch ein Gas, beispielweise durch Luft oder durch eine Flüssigkeit wie etwa Wasser ge bildet werden, soweit der Resonanzteil oder Resonator die Schwingung über dieses Medium aufnehmen kann.

Fig. 6(a) und 6(b) sind schematische Blockdiagramme zur Veranschauli chung von typischen Prinzipien von Vibratoreinheiten mit Energieeinschluß gemäß Abwandlungen des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

In Fig. 6(a) wird eine Schwingungsquelle 21a durch ein geeignetes schwin gungserzeugendes Element gebildet, beispielsweise durch einen Motor, einen Kompressor, einen Piezo-Resonator oder eine Stimmgabel. Ein Schwingungsübertragungsteil 21b ist mit dieser Schwingungsquelle 21a ge koppelt. Der Schwingungsübertragungsteil 21b, der einfach so ausgebildet sein kann, daß er die in der Schwingungsquelle 21a erzeugte Schwingung aufnehmen kann, ist zweckmäßigerweise in der Form einer Stange oder ei ner Platte ausgebildet. Um eine höhere Dämpfungswirkung zu erreichen, ist der Schwingungsübertragungsteil 21b vorzugsweise aus einem Material wie etwa Gummi hergestellt, das als solches schwingungsdämpfende Eigenschaf ten hat. Alternativ kann der Schwingungsübertragungsteil 21b aus einem star ren Material, etwa aus Metall hergestellt sein.

Ein erster Resonanzteil 21c ist mit dem anderen Ende des Schwingungsü bertragungsteils 21b gekoppelt. Der erste Resonanzteil 21c ist so ausgebildet, daß er die Schwingung, die sich von der Schwingungsquelle 21a durch den Schwingungsübertragungsteil 21b ausbreitet, aufnimmt und zu Resonanz schwingungen angeregt wird. Weiterhin ist ein zweiter Resonanzteil 21d an das andere Ende des ersten Resonanzteils 21c gekoppelt. Der zweite Reso nanzteil 21d ist so ausgebildet, daß er die Schwingung aufnimmt, die sich durch den Schwingungsübertragungsteil 21b und den ersten Resonanzteil 21c ausbreitet, und dadurch zu Resonanzschwingungen angeregt wird.

Die ersten und zweiten Resonanzteile 21c und 21d sind so ausgebildet, daß sie in Resonanz im Biegemodus schwingen können, wobei ihre Resonanzfre quenzen voneinander verschieden sind. Die Resonanzfrequenzen der ersten und zweiten Resonanzteile 21c und 21d sind so gewählt, daß verschiedene Schwingungskomponenten gedämpft werden. Im einzelnen haben die Reso nanzteile 21c und 21d die Wirkung, spezielle Schwingungskomponenten durch dynamische Schwingungsdämpfung aufgrund ihrer Resonanzfrequen zen und/oder Schwingungsmoden auszulöschen. Im allgemeinen erzeugt die Schwingungsquelle 21a eine gekoppelte Schwingung, die Schwingungskom ponenten verschiedener Moden und Frequenzen enthält. Indem mehrere Re sonanzteile 21c und 21d vorgesehen werden, die Resonanz bei verschiede nen Resonanzfrequenzen zeigen, ist es somit möglich, solche von der Schwingungsquelle 21a ausgehende gekoppelte Schwingungen wirksam wei ter zu dämpfen.

Die Schwingungsquelle 21a kann bei einer speziellen Frequenz mit sehr ho her Amplitude vibrieren. In diesem Fall ist es möglich, die spezielle Schwin gung mit der hohen Schwingungsamplitude wirksam zu dämpfen, indem die Resonanzteile 21c und 21d so ausgebildet werden, daß ihre Resonanzfre quenzen mit der speziellen Frequenz dieser Schwingung übereinstimmen.

Während in Fig. 6(a) die ersten und zweiten Resonanzteile 21c und 21d über ein- und denselben Schwingungsübertragungsteil 21b mit der Schwin gungsquelle 21a gekoppelt sind, ist es auch möglich, diese mehreren Reso nanzteile mit verschiedenen Schwingungsübertragungsteilen zu koppeln. So können erste und zweite Resonanzteile 21f und 21h mit der Schwingungs quelle 21a über verschiedene Schwingungsübertragungsteile 21e bzw. 21g gekoppelt sein, wie in Fig. 6(b) gezeigt ist.

Fig. 7 ist eine teilweise aufgeschnittene Frontansicht einer Vibratoreinheit mit Energieeinschluß nach dem in Fig. 6(a) gezeigten Prinzip.

Bei dieser Anordnung dient ein Motor 22a als Schwingungsquelle, und ein Tragteil 22b ist mit einer unteren Oberfläche des Motors 22a gekoppelt und dient als Schwingungsübertragungsteil. Eine Resonanzplatte 22c, die einen ersten Resonanzteil bildet, ist einstückig am unteren Ende des Tragteils 22b ausgebildet. Die Resonanzplatte 22c, die sich rechtwinklig zur Zeichenebene in Fig. 7 erstreckt, ist so ausgebildet, daß sie die durch das Tragteil 22b übertragenen Schwingungen aufnimmt und in Resonanz in einem Biegemodus schwingt.

Weiterhin ist ein zweites Tragteil 22d, das als weiterer Schwingungsübertra gungsteil dient, an die untere Oberfläche der Resonanzplatte 22c gekoppelt, und eine zweite Resonanzplatte 22e ist mit dem unteren Ende des zweiten Tragteils 22d gekoppelt. Die zweite Resonanzplatte 22e, die sich rechtwink lig zur Zeichenebene in Fig. 7 erstreckt, hat eine von der ersten Resonanz platte 22c verschiedene Größe. Somit schwingt die Resonanzplatte 22e in Resonanz in einem Biegemodus bei einer anderen Frequenz als die erste Re sonanzplatte 22c.

Ein drittes Tragteil 22f ist mit einer unteren Oberfläche der zweiten Reso nanzplatte 22e gekoppelt. Die untere Oberfläche des dritten Tragteils 22f ist an einer Bodenfläche 22g befestigt.

Bei der Vibratoreinheit mit Energieeinschluß mit dem oben beschriebenen Aufbau wird die Schwingung des Motors 22a auf das erste Tragteil 22b über tragen, und die erste Resonanzplatte 22c wird durch die über das erste Trag teil 22b übertragenen Schwingungen zu Resonanzschwingungen angeregt. Weiterhin wird die zweite Resonanzplatte 22e durch die über die erste Reso nanzplatte 22c und das zweite Tragteil 22d übertragenen Schwingungen zu Resonanzschwingungen angeregt. Die ersten und zweiten Resonanzplatten 22c und 22e, die auf voneinander verschiedene Resonanzfrequenzen einge stellt sind, beseitigen durch dynamische Schwingungsdämpfung wirksam diejenigen Komponenten der vom Motor 22a auf das Tragteil 22b übertrage nen Schwingung, die in ihrer Frequenz mit den Resonanzfrequenzen der ersten und zweiten Resonanzplatten 22c und 22e übereinstimmen.

Wenn die Schwingung, die von dem als Schwingungsquelle dienenden Motor 22a erzeugt wird, Schwingungskomponenten mit hoher Amplitude bei zwei speziellen Frequenzen enthält, ist es deshalb möglich, die Ableitung von Schwingungen von dem Motor 22a auf die Bodenfläche 22g wirksam zu ver hindern, indem die ersten und zweiten Resonanzplatten 22c und 22e mit Re sonanzfrequenzen versehen werden, die mit diesen speziellen Frequenzen übereinstimmen.

Ausführungsbeispiel eines Piezo-Resonators

Fig. 8 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Piezo-Resonators gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Piezo-Resona tor ist ein Schwingungsübertragungsteil 31b an eine Piezo-Resonanzeinheit 31a gekoppelt, und ein Resonanzteil 31c ist an den Schwingungsübertra gungsteil 31b gekoppelt. Die Piezo-Resonanzeinheit 31a ist so ausgebildet, daß sie in einem Eigenschwingungsmodus erregt werden kann, beispielswei se in einem Längsschwingungsmodus, einem Umriß-Scherschwingungsmo dus, einem Dehnungs-Schwingungsmodus und dergleichen. Der Schwin gungsübertragungsteil 31b ist so ausgelegt, daß er Schwingungen übertragen kann, die sich von der Piezo-Resonanzeinheit 31a zu dem Resonanzteil 31c ausbreiten. Hinsichtlich des Aufbaus des Schwingungsübertragungsteils 31b als solcher bestehen deshalb keine besonderen Einschränkungen, sofern die ser die Piezo-Resonanzeinheit 31a abstützen und ihre Schwingung auf den Resonanzteil 31c übertragen kann.

Der Resonanzteil 31c ist so ausgebildet, daß er die Schwingungen aufnimmt, die sich durch den Schwingungsübertragungsteil 31b ausbreiten, und daß er hierdurch zu Resonanzschwingungen angeregt wird. Der Resonanzteil 31c, der so gestaltet ist, daß er in einem Biegemodus schwingt, löscht durch dy namische Schwingungsdämpfung die übertragene Schwingung aus, wie wei ter unten unter Bezugnahme auf Versuchsbeispiele und Ausführungsbeispiele beschrieben wird.

Ausführungsbeispiel eines Piezo-Resonators mit Längsschwingungsmode

Fig. 9(a) und 9(b) sind Grundrißskizzen und zeigen einen Piezo-Reso nator 41 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie die Form einer Elektrode, die auf einer Unterseite eines piezoelektrischen Sub strats ausgebildet ist. Der Piezo-Resonator 41 besitzt eine Piezo-Resonanzein heit 42, die in einem zentralen Bereich angeordnet ist. Diese Piezo-Reso nanzeinheit 42 wird durch ein piezoelektrisches Substrat gebildet, das ein heitlich in Richtung seiner Dicke polarisiert ist, die Form einer langgestreck ten rechteckigen Platte hat und mit Elektroden 42a und 42b auf beiden Hauptflächen versehen ist. Eine Wechselspannung wird so an die Elektroden 42a und 42 angelegt, daß die Resonanzeinheit 42 in einer Längsschwingungs mode gedehnt und gestaucht wird.

Ein Schwingungsübertragungsteil 43 ist an eine Seite eines Längs-Zentralbe reichs der Piezo-Resonanzeinheit 42 gekoppelt. Der Schwingungsübertra gungsteil 43 ist dazu eingerichtet, eine durch die Dehnungsschwingung der Piezo-Resonanzeinheit bedingte Schwingung auf einen später beschriebenen Resonanzteil 44 zu übertragen. Der Schwingungsübertragungsteil 43 ist an den Längs-Zentralbereich der Resonanzeinheit 42 gekoppelt, so daß er die Schwingung der Piezo-Resonanzeinheit 42 nicht behindert.

Das andere Ende des Schwingungsübertragungsteils 43 ist mit dem Reso nanzteil 44 gekoppelt, der so gestaltet ist, daß er die Schwingung der Piezo- Resonanzeinheit 42 aufnimmt und in Resonanz im Biegemodus mit einer Fre quenz schwingt, die im wesentlichen mit der Resonanzfrequenz der Piezo- Resonanzeinheit 42 übereinstimmt. Das mit dem Resonanzteil 44 gekoppelte andere Ende des Schwingungsübertragungsteils 43 liegt außerhalb eines Schwingungsknotens des Schwingungsübertragungsteils 43. Weiterhin ist ein Halteteil 46 mit einer relativ großen Fläche über einen Kopplungsstab 45 mit dem Resonanzteil 44 gekoppelt. Der Halteteil 46 weist eine relativ große Flä che auf, wie in der Zeichnung zu erkennen ist, so daß er in der Lage ist, den Piezo-Resonator 41 mechanisch an einem anderen Teil, beispielsweise einem Gehäuse-Substrat zu halten.

Die Elektrode 42a ist durch eine Leiterbahn 47a elektrisch mit einer Klem menelektrode 48a verbunden, die auf einer oberen Oberfläche des Halteteils 46 ausgebildet ist.

Weiterhin sind ein Schwingungsübertragungsteil 49, ein Resonanzteil 50, ein Kopplungsstab 51 und ein Halteteil 52 an die Seite der Piezo-Resonanzein heit 42 angekoppelt, die der an den Schwingungsübertragungsteil 43 gekop pelten Seite gegenüberliegt. Wie in Fig. 9(b) gezeigt ist, sind eine Leiter bahn 47b und eine Klemmenelektrode 48b, die elektrisch mit der Elektrode 42b verbunden sind, auf der Unterseite des Schwingungsübertragungsteils 49, des Resonanzteils 50, des Kopplungsstabes 51 und des Halteteils 52 aus gebildet.

Bei dem Piezo-Resonator 41 nach diesem Ausführungsbeispiel wird eine Wechselspannung an die Klemmenelektroden 48a und 48b angelegt, so daß die Piezo-Resonanzeinheit 42 in einer Längsschwingungsmode oszillierend gedehnt und gestaucht wird. Diese Schwingung wird folglich über die Schwingungsübertragungsteile 43 und 49 auf die Resonanzteile 44 und 50 übertragen. Die Resonanzteile 44 und 50 dienen als Sekundärschwinger bei der oben erwähnten dynamischen Schwingungsdämpfung, wodurch eine Wei terleitung der Schwingung zu den Kopplungsstäben 45 und 51 weitgehend unterdrückt wird. Die Schwingungsenergie bleibt daher in dem durch die Re sonanzteile 44 und 50 begrenzten inneren Bereich eingeschlossen, wodurch es möglich ist, einen Piezo-Resonator 41 mit Energieeinschluß zu schaffen, der in einer Längsschwingungsmode arbeitet und durch die Halteteile 46 und 52 mechanisch mit der Umgebung verbunden ist.

Die Wirkungsweise des Resonanzteils 44 soll nunmehr anhand des Ergebnis ses eines praxisnahen Experiments beschrieben werden.

Fig. 10 zeigt eine zu Vergleichszwecken geschaffene Anordnung mit einer Piezo-Resonanzeinheit 55, die so ausgebildet ist, daß sie in einer Längs schwingungsmode oszillieren kann, und mit einem Stab 56, der an einen zentralen Bereich einer seitlichen Oberfläche der Piezo-Resonanzeinheit 55 gekoppelt ist und sich rechtwinklig zu der Piezo-Resonanzeinheit 55 er streckt. Ein weiterer Stab 56 ist an einen zentralen Bereich der anderen seit lichen Oberfläche der Piezo-Resonanzeinheit 55 gekoppelt.

Fig. 11 zeigt eine Anordnung, die der in Fig. 10 gezeigten ähnelt, jedoch mit einem Resonanzteil 57 versehen ist. Bei der in Fig. 12 gezeigten Anord nung ist der Resonanzteil 57 über einen Schwingungsübertragungsteil 58 mit der Piezo-Resonanzeinheit 55 gekoppelt, und ein Stab 59 ist mit einer Ober fläche des Resonanzteils 57 gekoppelt, die der mit dem Schwingungsübertra gungsteil 58 gekoppelten Oberfläche gegenüberliegt. Der Resonanzteil 57 ist somit in einem Zwischenbereich des durch den Schwingungsübertragungsteil 58 und den Stab 59 gebildeten Teils ausgebildet. Bei der in Fig. 11 gezeig ten Anordnung sind Elemente, die den oben beschriebenen ähnlich sind, an die andere seitliche Oberfläche der Piezo-Resonanzeinheit 55 gekoppelt.

Fig. 12(a) zeigt die Verteilung von Auslenkungen in dem in Fig. 10 gezeig ten Piezo-Resonator, die sich bei der Schwingung der Piezo-Resonanzeinheit 55 in einer Längsschwingungsmode ergab, und Fig. 12(b) zeigt die Beträge V_X der Auslenkungen in Richtung einer X-Achse in den jeweiligen Abschnit ten längs des Stabes 56, d. h., auf der X-Achse.

Hingegen zeigt Fig. 13 die Verteilung der Auslenkungen, die sich bei der Schwingung der Piezo-Resonanzeinheit 55 in dem in Fig. 11 gezeigten Pie zo-Resonator ergab. Fig. 14 zeigt die Beträge V_X der Auslenkungen in Rich tung der X-Achse in den jeweiligen Abschnitten auf der X-Achse.

Aus dem Vergleich der Fig. 12(B) und 14 geht deutlich hervor, daß durch den Resonanzteil 57 die Beträge der durch Schwingungsübertragung verur sachten Auslenkungen in dem Abschnitt des Stabes 59 jenseits des Resonanz teils 57 stark verringert wurden, d. h., daß die Schwingungsenergie wirksam in einem bis zu dem Resonanzteil 57 reichenden Bereich eingeschlossen werden kann.

Nachfolgend soll unter Bezugnahme auf Fig. 14 bis 27 erläutert werden, daß die Schwingungsenergie besonders wirksam in einem bis zu dem Reso nanzteil reichenden Bereich eingeschlossen werden kann, wenn die Reso nanzfrequenz des Resonanzteils im wesentlichen mit derjenigen der Piezo- Resonanzeinheit identisch ist.

Wie oben beschrieben wurde, ergibt sich bei der in Fig. 11 gezeigten Anord nung die Verteilung der Auslenkungen nach Fig. 13, wenn die Piezo- Resonanzeinheit 55 in Schwingungen versetzt wird. Diese Verteilung der Auslenkungen ergibt sich dann, wenn die Piezo-Resonanzeinheit 55 und der Resonanzteil 57 in Resonanz in ihrer jeweiligen Grundschwingung schwin gen.

Fig. 14 bis 19 zeigen die Absolutbeträge der Auslenkungen in X-Richtung in den jeweiligen Abschnitten längs der X-Achse bei Piezo-Resonatoren mit Piezo-Resonanzeinheiten 55, mit 0,6 mm Breite, 4,0 mm Länge und 0,4 mm Dicke und mit einer Resonanzfrequenz von jeweils 422 kHz für unterschiedli che Breiten W und Längen l (Fig. 11) der Resonanzteile 57.

Fig. 14 bis 16 zeigen die Absolutbeträge der Auslenkungen bei Resonanz teilen 57 mit einer Länge l von 0,70 mm und der Breite von 0,55 mm, 0,65 mm bzw. 0,75 mm, und Fig. 17 bis 19 zeigen die Ergebnisse für Reso nanzteile 57 mit einer Breite W von 0,65 mm und Länge l von 0,65 mm, 0,70 mm bzw. 0,75 mm. Die Längen l und Breiten W der Resonanzteile 57 wurden variiert, um die Resonanzfrequenz der Resonanzteile 57 zu ändern.

Ein Vergleich der in Fig. 16 bis 19 gezeigten Daten mit den Daten gemäß Fig. 12(b) zeigt, daß die Weiterleitung der Schwingungsenergie durch jedes der Resonanzteile 57 mit den oben genannten Abmessungen unterdrückt werden kann.

Weiterhin ist zu erkennen, daß die weitergeleitete Schwingungsenergie be sonders wirksam durch die Resonanzteile 57 mit den Abmessungen unter drückt werden kann, die den Fig. 15 und 18 zugrunde lagen. Dies ist da durch erklärlich, daß die Resonanzfrequenz der Resonanzteile 57 im wesent lichen gleich derjenigen der Piezo-Resonanzeinheit 55 war, so daß die Wei terleitung der Schwingungsenergie durch dynamische Schwingungsdämp fung wirksam unterdrückt wurde.

Nachfolgend wird die Wirkung des Resonanzteils 57 für den Fall beschrieben, daß die Piezo-Resonanzeinheit 55 und der Resonanzteil 57 bei der in Fig. 11 gezeigten Anordnung in der zweiten Oberschwingung angeregt wurden. Fig. 20 zeigt die Verteilung der Auslenkungen bei der zweiten Oberschwin gung der Piezo-Resonanzeinheit 55 und der zweiten Oberschwingung des Resonanzteils 57 im Biegemodus. Die in diesem Fall verwendete Piezo- Resonanzeinheit 55 hatte eine Länge von 4,0 mm, eine Breite von 0,6 mm und eine Dicke von 0,4 mm, so daß Resonanz in der zweiten Oberschwingung bei einer Frequenz von 1237 kHz auftrat. Fig. 21 bis 23 zeigen die Abso lutbeträge der Auslenkung in X-Richtung für Resonanzteile 57 mit der Länge von 0,70 mm und den Breiten W von 0,55 mm, 0,65 mm bzw. 0,75 mm.

Ein Vergleich der Fig. 21 bis 23 zeigt, daß die Schwingungsenergie im Fall der Fig. 22 am wirksamsten unterdrückt wurde, was verständlich ist, weil in diesem Fall die Resonanzfrequenz des Resonanzteils 57 mit derjeni gen der Piezo-Resonanzeinheit 55 übereinstimmte.

Nachfolgend soll der Fall beschrieben werden, daß die Piezo-Resonanzeinhei ten 55 in der Grundschwingung und die Resonanzteile 57 in der zweiten Oberschwingung angeregt werden. Fig. 24 zeigt die für diesen Fall nach der Finite-Elemente-Methode erhaltene Verteilung der Auslenkungen.

Es soll angenommen werden, daß die hier verwendeten Piezo-Resonanzein heiten 55 eine Länge von 1,6 mm, eine Breite von 0,6 mm und eine Dicke von 0,4 mm hatten, mit einer Resonanzfrequenz von 1072 kHz. Fig. 25 bis 27 zeigen die Absolutbeträge der Auslenkungen in X-Richtung für Reso nanzteile 57 mit der Breite W von 1,0 min und der Länge l von 0,65 mm, 0,70 mm bzw. 0,75 mm.

Aus einem Vergleich der Fig. 25 bis 27 geht deutlich hervor, daß unter diesen Umständen die weitergeleitete Schwingungsenergie im Fall der Fig. 26 am wirksamsten unterdrückt wurde, was sich dadurch erklären läßt, daß dort die Frequenz der Grundschwingung der Piezo-Resonanzeinheit 55 mit der Frequenz der zweiten Oberschwingung des Resonanzteils 57 überein stimmt.

Es zeigt sich somit, daß die Piezo-Resonanzeinheit und der Resonanzteil so wohl in der Grundschwingung als auch in der dritten Oberschwingung ange regt werden können. Der Resonanzteil ist an einen Bereich des Schwingungsübertragungsteils gekoppelt, der nicht dessen Schwingungs knoten entspricht. Hierdurch wird die weitergeleitete Schwingung noch wirksamer durch den Resonanzteil unterdrückt. Dieser Gesichtspunkt wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 28 bis 32 näher erläutert.

Wenn bei der in Fig. 10 gezeigten Anordnung die Piezo-Resonanzeinheit 55 in Resonanz angeregt wird, so breitet sich ihre Schwingung in dem Stab 56 aus. Fig. 28 zeigt vergrößert die in dem Stab 56 auftretenden Auslenkungs vektoren. Der Stab 56 wird durch die weitergeleitete Schwingung (Longitudi nalwelle) in der in Fig. 28 gezeigten Weise ausgelenkt (wobei die in Fig. 28 gezeigten Pfeile die Auslenkungsvektoren darstellen).

Wie deutlich in Fig. 28 zu erkennen ist, hat der Stab 56 einen Bereich, der sehr stark durch die weitergeleitete Schwingung ausgelenkt wird, und einen kaum ausgelenkten Bereich, d. h., einen Schwingungsknoten. Speziell ist zu erkennen, daß der Stab 56 in einem Bereich an einem Punkt 0,5 in Relativ koordinaten besonders stark ausgelenkt wird und in einem Bereich an einem Punkt 1,5 in Relativkoordinaten auf der X-Achse kaum ausgelenkt wird. Für den in Fig. 11 gezeigten Piezo-Resonator wurde die Wirkung des Resonanz teils 57 für unterschiedliche Abstände P zwischen der seitlichen Oberfläche der Piezo-Resonanzeinheit 55 und der Mitte des Resonanzteils 57 unter sucht.

Fig. 29 bis 32 zeigen die Absolutbeträge der Auslenkungen in X-Richtung in jeweiligen Bereichen längs der X-Achse für Piezo-Resonatoren, bei denen der Abstand P 0,5, 1,0, 1,5 bzw. 2,0 Einheiten auf der in Fig. 28 gezeigten Längenskala an der X-Achse betrug. Aus Fig. 31 geht hervor, daß eine Schwingung mit einer beträchtlichen Amplitude in den jenseits des Reso nanzteils 57 gelegenen Bereich weitergeleitet wurde. Dies bedeutet, daß die Schwingung durch Resonanz nicht so wirksam unterdrückt werden kann, wenn der Resonanzteil 57 an der Stelle angekoppelt ist, die dem Abstand P von 1,5 entspricht, d. h., an der Stelle eines Schwingungsknotens. Anderer seits ist zu erkennen, daß die Beträge der über den Resonanzteil hinaus wei tergeleiteten Leckschwingung in den Fällen der Fig. 29 (Abstand P = 0,5), der Fig. 30 (Abstand P =1,0) und der Fig. 32 (Abstand P = 2,0) besonders klein war. Es ist somit festzustellen, daß der Resonanzteil vorzugsweise an ei nen Abschnitt des Schwingungsübertragungsteils gekoppelt sein sollte, der nicht einem Schwingungsknoten entspricht, damit die weitergeleitete Schwingung durch den Resonanzteil wirksam unterdrückt werden kann.

Andererseits zeigt ein Vergleich der Fig. 31 mit Fig. 12(b), daß die Wei terleitung der Schwingung nach außen im Vergleich zu dem in Fig. 10 ge zeigten Piezo-Resonator ohne Resonanzteil selbst dann noch zu einem gewis sen Grad unterdrückt wurde, wenn der Resonanzteil 57 am Schwingungskno ten angekoppelt war.

Bei dem Piezo-Resonator 41 nach dem in Fig. 9(a) und 9(b) gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel sind die Halteteile 46 und 52 über die Kop plungsstäbe 45 und 51 an die Resonanzteile 44 und 50 angekoppelt. Diese Halteteile sind lediglich dazu eingerichtet, die mechanische Befestigung des Piezo-Resonators 41 bei der Herstellung zu erleichtern. Wenn auf den Seiten der Resonanzteile 44 und 50, die den an die Schwingungsübertragungsteile 43 und 49 angekoppelten Seiten gegenüberliegen, Kopplungsteile 60a und 60b zur Kopplung mit anderen Teilen angeschlossen sind, wie in Fig. 33 ge zeigt ist, kann die Schwingungsenergie in ähnlicher Weise in Bereichen bis zu den Resonanzteilen 44 und 50 eingeschlossen werden, wie bei dem in Fig. 9(a) und 9(b) gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel, so daß ähnlich wie bei dem zweiten Ausführungsbeispiel auch ein solcher Aufbau für einen Piezo-Resonator mit Energieeinschluß verwendet werden kann.

Während weiterhin bei dem Piezo-Resonator 41 nach dem in Fig. 9(a) und 9(b) gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel jeweils ein einziger Reso nanzteil 44 bzw. 50 auf jeder Seite der Piezo-Resonanzeinheit 42 angeordnet ist, können auch mehrere Resonanzteile 44 und 50 auf jeder Seite der Piezo- Resonanzeinheit 42 angeordnet sein, wie in Fig. 34 gezeigt ist. In diesem Fall sind die mehreren Resonanzteile 44 und 50 durch Schwingungsübertra gungsteile 43a, 43b, 51a und 51b miteinander gekoppelt.

Ausführungsbeispiel eines Piezo-Resonators mit Dehnungs-Schwingungsmode

Fig. 35(a) und 35(b) sind Grundrißskizzen und zeigen einen Piezo-Reso nator gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung bzw. eine auf der Unterseite einer piezoelektrischen Platte angeordnete Elektrode.

Das dritte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Piezo-Resonator 81, der mit einer Dehnungs-Schwingungsmode einer rechteckigen oder quadrati schen Platte arbeitet. Dieser Piezo-Resonator 81 besitzt eine Piezo-Reso nanzeinheit 82, in der eine Dehnungs-Schwingungsmode einer rechteckigen Platte (in Richtung der Dicke der Platte) anregbar ist. Die Piezo-Resonanzein heit 82 weist eine rechteckige Platte aus Piezokeramik und Elektroden 82a und 82b auf, die auf ganzer Fläche auf den entgegengesetzten Hauptflächen der Platte ausgebildet sind. Die zwischen den Elektroden 82a und 82b einge fügte Platte aus Piezokeramik ist einheitlich in Richtung ihrer Dicke polari siert.

Abgesehen davon, daß mit einer in der Dehnungs-Schwingungsmode betrie benen Piezo-Resonanzeinheit 82 gearbeitet wird, ist der Aufbau des Piezo-Re sonators 81 demjenigen des Piezo-Resonators 41 nach dem zweiten Ausfüh rungsbeispiel ähnlich. Einzelheiten, die denjenigen in Fig. 9(a) und 9(b) entsprechen, sind deshalb in Fig. 36(a) und 36(b) mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet und werden nicht noch einmal im ein zelnen beschrieben.

Bei dem Piezo-Resonator 81 wird eine Wechselspannung an die Klemmene lektroden 48a und 48b angelegt, so daß die Piezo-Resonanzeinheit 82 in Re sonanz in einer Dehnungs-Schwingungsmode oszilliert. Auch bei diesem Aus führungsbeispiel wird die Schwingung der Piezo-Resonanzeinheit 82 auf Re sonanzteile 44 und 50 übertragen, die an außerhalb der Schwingungsknoten gelegene Bereiche von Schwingungsübertragungsteilen 43 und 49 gekoppelt sind, so daß die Resonanzteile 44 und 50 in Resonanz zu Biegeschwingungen mit Frequenzen angeregt werden, die im wesentlichen mit der Resonanzfre quenz der Piezo-Resonanzeinheit 82 übereinstimmen. Die weitergeleitete Schwingung wird somit durch Resonanz der Resonanzteile 44 und 50 ausge löscht, so daß die Schwingungsenergie in dem durch die Resonanzteile 44 und 50 begrenzten Bereich eingeschlossen bleibt.

Obgleich bei dem in Fig. 35(a) und 35(b) gezeigten Piezo-Resonator 81 die Resonanzteile 44 und 50 nur an zwei Seiten über die Schwingungsüber tragungsteile 43 und 49 an die Piezo-Resonanzeinheit 82 gekoppelt sind, können ähnliche Resonanzteile, die zu Biegeschwingungen anregbar sind, auch durch entsprechende Schwingungsübertragungsteile an die oberen und unteren Bereiche der Piezo-Resonanzeinheit 82 angekoppelt sein.

Bei dem oben beschriebenen Piezo-Resonator 81 nach dem dritten Ausfüh rungsbeispiel kann eine Piezo-Resonanzeinheit verwendet werden, die zu Schwingungen in verschiedenen Schwingungsmoden in der Lage ist, und dennoch kann die Schwingungsenergie durch die Ankopplung der Resonanz teile über die Schwingungsübertragungsteile in einem Bereich eingeschlos sen werden, der nicht über die Resonanzteile hinausgeht. Somit ist es mög lich, einen Piezo-Resonator mit Energieeinschluß zu schaffen, der mit einer Schwingungsmode arbeitet, bei der bisher kein Energieeinschluß möglich war.

Anwendungsbeispiele

Fig. 38 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Beispiels eines Piezo-Resonators nach dem zweiten Ausführungsbeispiel als in der Praxis an wendbares Bauelement. Bei einem solchen Piezo-Resonanzbauelement 100 ist der in Fig. 9(a) und 9(b) gezeigte Piezo-Resonator 41 als Baustein mit Leitungsanschlüssen ausgebildet. Ein Leitungsanschluß 101a ist mit einer Klemmenelektrode 48a verbunden, die auf der oberen Oberfläche des Halte teils 46 des Piezo-Resonators 41 ausgebildet ist, und ein weiterer Leitungsan schluß 101b ist mit der in Fig. 36 nicht gezeigten anderen Klemmenelek trode verbunden, die auf der unteren Oberfläche des anderen Halteteils 52 ausgebildet ist. Alle Teile mit Ausnahme der Endabschnitte der Leitungsan schlüsse 101a und 101b sind mit einem schützenden Kunststoffkörper 102 bedeckt, der in Fig. 36 durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist. In dem schützenden Kunststoffkörper 102 ist ein Hohlraum ausgebildet, damit die schwingenden Teile wie die Piezo-Resonanzeinheit 42 und die Resonanz teile 44 und 50 nicht an der Schwingung gehindert werden. Ein solcher Hohlraum kann gebildet werden, indem Wachs auf die schwingenden Teile des Piezo-Resonators 41 aufgebracht und dieser anschließend mit dem Schutzkörper 102 aus wärmehärtbarem Kunststoff umhüllt und danach einer Wärmebehandlung unterzogen wird.

Fig. 37 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung eines chipförmigen Piezo-Resonanzbauelements 110, das aus dem in Fig. 9(a) und 9(b) ge zeigten Piezo-Resonator 41 aufgebaut ist, und Fig. 38 ist eine perspektivi sche Ansicht dieses Bauelements 110.

In dem Piezo-Resonanzbauelement 110 sind erste und zweite Distanzplatten 111 und 112 mit Hilfe eines isolierenden Klebers oder dergleichen an den Seitenbereichen des in Fig. 9(a) und 9(b) gezeigten Piezo-Resonators 41 befestigt. Die Distanzplatten 111 und 112 haben im wesentlichen die glei che Dicke wie der Piezo-Resonator 41.

Die ersten und zweiten Distanzplatten 111 und 112 sind von den schwingen den Teilen des Piezo-Resonators 41, d. h., von der Piezo-Resonanzeinheit 42 und den Resonanzteilen 44 und 50, durch vorgegebene Zwischenräume ge trennt, so daß sie nicht mit diesen Teilen in Berührung kommen und deren Schwingung nicht behindern. Die ersten und zweiten Distanzplatten 111 und 112 sind aus einem isolierenden Material wie beispielsweise isolierender Ke ramik oder Kunststoff hergestellt, das eine gewisse Steifheit aufweist. Klebe streifen 113 und 114 in der Form rechteckiger Rahmen sind auf den oberen und unteren Oberflächen des Piezo-Resonators 41 und der ersten und zwei ten Distanzplatten 111 und 112 aufgebracht und dienen dazu, Gehäuse-Sub strate 115 und 116, die weiter unten beschrieben werden, an dem Piezo-Re sonator 41 und den ersten und zweiten Distanzplatten 111 und 112 zu befe stigen.

Die Gehäuse-Substrate 115 und 116, die aus isolierender Keramik wie bei spielsweise Aluminiumoxid oder aus Kunstharz bestehen, sind mit Hilfe der Klebestreifen 113 und 114 auf den Piezo-Resonator 41 und die ersten und zweiten Distanzplatten 111 und 112 aufgeklebt.

Die Klebestreifen 113 und 114 können aus Klebematerialien mit rechtecki ger Rahmenform hergestellt sein, die den Piezo-Resonator 41 und die damit verklebten ersten und zweiten Distanzplatten 111 und 112 durch Druckkle bung mit den Gehäuse-Substraten 115 und 116 zusammenhalten, wie in Fig. 37 gezeigt ist. Alternativ können Klebemittel auf die untere Oberfläche des Gehäuse-Substrats 115 und die obere Oberfläche des Gehäuse-Substrats 116 in der Form rechteckiger Rahmen aufgebracht werden, die die gleichen Grundrißformen wie die Klebestreifen 113 und 114 haben und die Klebe streifen 113 und 114 ersetzen.

Wie oben beschrieben wurde, sind die Klebestreifen 113 und 114 als recht eckige Rahmen ausgebildet, damit in den Bereichen über und unter dem Pie zo-Resonator 41 Hohlräume gebildet werden, die die Schwingung der schwingenden Teile des Piezo-Resonators 41 ermöglichen.

In Fig. 38 ist deutlich zu erkennen, daß erste und zweite äußere Elektroden 117 und 118 durch Vakuumabscheidung, Sputtern, Plattieren oder Aufbrin gen und Ausheizen von Leitpaste so auf das chipförmige Bauelement 110 nach diesem Ausführungsbeispiel aufgebracht sind, daß sie zwei Randflächen des selben bedecken.

Bei dieser Ausbildung der ersten und zweiten äußeren Elektroden 117 und 188 können äußere Teilelektroden 115a und 115b zuvor auf der oberen Oberfläche des Gehäuse-Substrats 115 ausgebildet werden, wie in Fig. 39 gezeigt ist, und ähnliche äußere Teilelektroden könnten auf der unteren Oberfläche des Gehäuse-Substrats 116 ausgebildet werden, so daß die äuße ren Elektroden 117 und 118 auf den Randflächen eines solchen Schichtkör pers die äußeren Teilelektroden auf den oberen und unteren Oberflächen des Schichtkörpers elektrisch miteinander verbinden.

Fig. 39 und 40 zeigen eine perspektivische Explosionsdarstellung und ei ne perspektivische Ansicht eines chipförmigen Piezo-Resonanzbauelements 120, das aus einem Piezo-Resonator 81 mit Dehnungs-Schwingungsmode auf gebaut ist, wie er in Fig. 35 gezeigt ist.

Das chipförmige Bauelement 120 ist ähnlich aufgebaut wie das in Fig. 38 ge zeigte Bauelement 110, mit dem Unterschied, daß anstelle des in Fig. 37 gezeigten Piezo-Resonators 41 der Piezo-Resonator 81 verwendet wird und erste und zweite Distanzplatten 121 und 122 an die seitlichen Bereiche des Piezo-Resonators 81 angeklebt sind. Im übrigen kann bezüglich des detaillier ten Aufbaus des Bauelements 120 auf die Beschreibung zu dem Bauelement 110 verwiesen werden.

Bei den in Fig. 37 und 39 gezeigten Bauweisen werden blattförmige Kle bemittel 113 und 114 verwendet, um Hohlräume in den Bereichen über und unter dem Piezo-Resonator 41 bzw. 81 zu bilden, damit die Schwingung er möglicht wird, oder es wird Klebstoff so auf die Hauptflächen der Gehäuse- Substrate aufgetragen, daß er die gleiche Grundrißform hat wie die blattför migen Klebemittel 113 und 114. Alternativ können Hohlräume, die die Schwingung der schwingenden Teile der Piezo-Resonatoren 41 und 81 er möglichen, auch in der unteren Oberfläche des Gehäuse-Substrats 115 und der oberen Oberfläche des Gehäuse-Substrats 116 ausgebildet sein, und es wird Klebstoff auf die Bereiche um die Hohlräume herum aufgetragen, oder es werden blattförmige Klebemittel in der Form rechteckiger Rahmen ver wendet, um die Piezo-Resonatoren 41 und 81 und die ersten und zweiten Distanzplatten 111, 112 bzw. 121, 122 mit den Gehäuse-Substraten 115 und 116 zu verkleben.

Claims

1. Vibratoreinheit mit:
mechanischem Oszillator (1; 6a, 7a, 8a, 9a, 22a, 31a, 42; 82) und mindestens einem Haltemittel zum Halten des mechanischen Oszillators, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Haltemittel aufweist:
einen Schwingungsübertragungsteil (6b; 7b; 8b; 9c; 21b; 21e, 21g; 22b; 31b; 43, 49), der mit dem mechanischen Oszillator gekoppelt ist und dessen Schwingung weiterleitet, und einen dynamischen Dämpfer (2; 6c; 7c; 8d; 9d; 21c, 21d; 21f, 21h; 22c, 22e; 31c; 44, 50), dessen Eigenfrequenz gleich der Frequenz der Schwingung des mechanischen Oszillators ist und der so mit dem Schwingungsübertragungsteil gekoppelt ist, daß er durch die vom Schwingungsübertragungsteil weitergeleitete Schwingung zu Schwingungen in einem Biegemodus angeregt wird, so daß die weitergeleitete Schwingung durch dynamische Schwingungsdämpfung ausgelöscht wird.

2. Vibratoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Oszillator eine Piezo- Resonanzeinheit (42; 82) ist.

3. Vibratoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dynamische Dämpfer so ausgebildet ist, daß seine Resonanzfrequenz gleich derjenigen der Piezo-Resonanzeinheit ist.

4. Vibratoreinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dynamische Dämpfer an einen Bereich des Schwingungsübertragungsteils gekoppelt ist, in dem sich kein Schwingungsknoten befindet, wenn der Schwin gungsübertragungsteil aufgrund der von der Piezo-Resonanzeinheit übertrage ne Schwingung oszilliert.

5. Vibratoreinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kop plungsstab (45, 51), mit einem an den dynamischen Dämpfer (44, 50) gekop pelt ist und mit dem anderen Ende an ein Halteteil (46, 52) gekoppelt ist.

6. Piezo-Resonator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezo- Resonanzeinheit eine piezoelektrische Platte (82) ist, bei der auf jeder Seite der Piezo-Resonanzeinheit ein dynamischer Dämpfer (44, 50) vor gesehen ist.

7. Vibratoreinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pie zo-Resonanzeinheit (42) für eine Schwingung in einer Längsschwingungsmo de ausgebildet ist.

8. Vibratoreinheit nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Piezo-Resonanzeinheit (82) für eine Schwingung in einer Dehnungsschwingungsmode ausgebildet ist.