Piezoelektrische Einrichtung. Es isst bekannt, piezoelektrische Kristalle als Schaltelemente in elektrischen Wellen filtern zu verwenden. Bei der Berechnung sol cher Kristallfilter gelangt man jedoch oft auf Kristalldimensionen, welche aus techno logischen.
Gründen nicht mehr oder nur unter grossen Schwierigkeiten realisiert werden können. Bekanntlich hängen einerseits die statische Kapazität Co und die dynamische Kapazität C eines längsschwingenden,
piezoelektrischen Kristallresonators vom Verhältnis des Pro duktes aus der Länge l und der Breite<I>b</I> des selben zur Kristalldicke d ab und anderseits ist in gewissen Fällen das Verhältnis von Bandbreite zu Wellenwiderstand den Grössen Co und C direkt proportional.
Zur Erreichung eines niedrigen Wellenwiderstandes bezw. eines grossen Verhältnisses. Bandbreite zu Wellenwiderstand würde man somit Kristall- platten benötigen, bei welchen das Verhält nis
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gleichfalls gross ist. Bei gegebener Fläche<I>t . b</I> gelangt man jedoch in vielen Fällen zu einer Kristalldicke d, welche die zur Vermeidung von Brüchen notwendige minimale Kristalldicke unterschreitet, so dass ein Filter mit den betreffenden Daten nicht verwirklicht werden kann.
. Es wäre nun an sich naheliegend, in sol chen Fällen an Stelle eines längsschwingen den FilterkDistalles mit den berechneten Ab messungen. h, b1; dz, <I>n</I> Kristalle mit den Ab- messungen l,, b1, <I>n .</I> d,. in Parallelschaltung vorzusehen.
Praktisch ist diese Lösung jedoch kaum durchführbar; da die einzelnen parallel geschalteten Kristalle zur Vermeidung von Störungen äm Verlauf der Filterkurve in ihren Resonanzfrequenzen sehr genau zur Übereinstimmung gebracht werden müssten, was jedoch mit einem einigermassen tragbaren Aufwand nicht möglich ist.
Gegenstand der Erfindung ist nun eine piezoelektrische Einrichtung mit mindestens einem Kris@tallresonator, bestehend aus min- destens zwei aufenandergeschichtcten und mechanisch miteinander verbundenen Kri stallplatten, welche gleichphasige Dehnungs- schwingungen ausführen;
wobei: die beidsei- tig mit Elektroden versehenen Kristallplatten elektrisch parallel geschaltet sind.
Mit dieser Einrichtung kann die Kapazi tät wesentlich erhöht und damit der Wellen widerstand entsprechend herabgesetzt werden. Im Gegensatz zur rein elektrischen Parallel schaltung hat die gleichzeitige mechanische Kopplung .der einzelnen Kristallplatten den Vorteil,
dass dieselben zu einem einzigen Schwingungsgebilde vereinigt sind und somit die Resonanzfrequenzen der Einzelplatten nicht genau übereinstimmen m".üssen: Einige Ausführungsbeispiele der Erfin dung werden nun an Hand der Zeichnung. näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt beispielsweise einen. längsschwingenden Kristallresonator. Die drei aufeinandergeschiehteten und mechanisch miteinander verbundenen Kristallplatten k,, k2, k3 haben, dieselbe Länge und Breite,
wie sie der dem dargestellten Kristallresonator entsprechende Einzelkristall aufweisen würde. Die Dicke jeder der Einzelplatten k,, k2, k3 beträgt jedoch das Dreifache und die Gesamt dicke des Kristallresonators somit das Neun fache des ihm entsprechenden Einzelkristalles. Mit e1, e2, es, e,
sind die Kristallelektroden bezeichnet und mit q, q2 die Stromzufüh- rungsleitungen. Die horizontalen Pfeile geben die Schwingungsrichtung der Kristallplatten k1, k2, k3 an.
Die Erregerspannung ist derart an. die griatallelektroden gelegt, dass die Richtung des elektrischen Feldes, welche durch die vertikalen Pfeile angedeutet ist, in zwei benachbarten Einzelplatten entgegen gesetzt ist.
Die aneinanderstossenden Flächen der Kristallplatten kl, k2, k3 weisen somit gleichartige Ladungen auf, weshalb diesen Kristallflächen je eine gemeinsame Elektrode (e2, e3) zugeordnet ist. Damit die Einzelplat ten kl, k2,
k3 gleichphasig ;schwingen und das gesamte Kristallgebilde einheitliche Longitu- dinalsehwingungen ausführt, weist die Kri- stallplatte k2 die entgegengesetzte kristall:
o- grapbnsohe Orientierung auf wie die Kri- stallplatten 1l, k3. Um das, Auftreten uner- wünschter Schwingungskomponenten zu ver meiden,
müssen ferner die in den Einzelplat ten erregten Schwingungsamplituden mit einander übereinstimmen. Stimmen die Kri- stallplatten. hinsichtlich der Materialkonstan- ten und der Abmessungen miteinander über ein, so ist die Bedingung gleicher Schwin gungsamplituden stets erfüllt.
Besteht. da gegen der Kristallresonator zur Erzielung besonderer Daten aus, Kristallplatten ver schiedenen Materials, so kann die Überein- stimmung der Schwingungsamplituden durch verschiedene Wahl der Dicke der Einzelplat ten erzielt werden,
wobei in den letzteren verschieden grosse elektrische Feldstärken auftreten.
Die mechanisch starre Verbindung der einzelnen Kristallplatten, welche sich übri gens nicht über die ganze Berührungsfläche derselben zu erstrecken braucht; kann nach an sich bekannten Verfahren erfolgen. Die Kristallplatten können z. B. verkittet oder nach vorheriger Metallisierung verlötet wer den.
Bei gewissen Kristallsorten können. die Einzelplatten auch durch Verschmelzung des Kristallmaterials längs der vom Elektroden belag nicht bedeckten Ränder- miteinander verbunden werden.
Ferner können die Elek- trodenbeläge der Einzelplatten in- gewissen Fällen miteinander verschweisst werden. Die Verschweissung kann beispielsweise durch Wirbelstromerhitzung erfolgen.
Die Fig. 2 zeigt ein Kristallfilter prinzi- piell bekannter Schaltung (Brückenbandfil- ter nach Cauer), bei welchem die Brücken zweige aus gxistallresonatoren gemäss Fig. I. bestehen, und in Fig. 3 ist das Ersatzschema dieses:
Filters. dargestellt. Die beiden Längs zweige des Brückenfilters sind - durch den Kristallresonator gL und die beiden Diago- nalzweige durch den Kristallresonator KD realisiert, von denen jeder aus :
drei Einzel platten leL'* kL", <I>k</I>L"' und kD', kD", kD"' mit je vier Doppelelektroden e besteht, wobei wiederum den aneinanderstossenden Kristall flächen gemeinsame Elektroden.. zugeordnet sind. Die ausgezogenen Pfeile in Fig. 2 s@tel- len den Stromverlauf in den Diagonalzweigen und die <RTI
ID="0002.0186"> gestrichelten Pfeile den 'Stromver lauf in den Längszweigen dar. Im Ersatz schiema gemäss Fig. 3 deuten die gestrichel ten Pfeile die gegenseitige mechanische Kopp- lung der Einzelplatten der Kristallresönato- ren KL und KD an.
Die Erfindung beschränkt sich natürlich nicht auf FS:lteranordnungen, sondern er streckt sich sinngemäss auf alle piezoelektri- sehen Einrichtungen, bei welchen die Berech nung der Schwingkristalle zu Kristalldimen sionen führt, welche sich aus technologischen Gründen nicht mehr verwirklichen lassen. Darüber hinaus bietet die Erfindung die Mög lichkeit,
durch mechanische Verbindung von Einzel'kristallplatten aus verschiedenen Mate rialien Krisstallresonatoren mit besonderen physikalischen Daten zu erzielen.
Piezoelectric device. It is known to use piezoelectric crystals as switching elements to filter electrical waves. When calculating such crystal filters, however, one often arrives at crystal dimensions that are based on technological.
Reasons can no longer be realized or only with great difficulty. As is known, on the one hand the static capacity Co and the dynamic capacity C of a longitudinally oscillating,
piezoelectric crystal resonator depends on the ratio of the product from the length l and the width <I> b </I> of the same to the crystal thickness d and on the other hand, the ratio of bandwidth to characteristic impedance is directly proportional to the quantities Co and C in certain cases.
To achieve a low wave resistance BEZW. a great ratio. Bandwidth to wave resistance would therefore be needed crystal plates with which the ratio
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is also large. Given the area <I> t. b </I>, however, in many cases a crystal thickness d is obtained which is below the minimum crystal thickness required to avoid fractures, so that a filter with the relevant data cannot be implemented.
. It would be obvious in such cases, instead of a longitudinally oscillating filter spacer with the calculated dimensions. h, b1; dz, <I> n </I> Crystals with the dimensions l ,, b1, <I> n. </I> d ,. to be provided in parallel connection.
In practice, however, this solution is hardly feasible; since the individual crystals connected in parallel would have to be matched very precisely in terms of their resonance frequencies in order to avoid interference in the course of the filter curve, which, however, is not possible with a reasonably affordable expense.
The subject matter of the invention is a piezoelectric device with at least one crystal resonator, consisting of at least two stacked and mechanically interconnected crystal plates, which carry out in-phase expansion vibrations;
whereby: the crystal plates provided with electrodes on both sides are electrically connected in parallel.
With this device, the capacity can be significantly increased and thus the wave resistance can be reduced accordingly. In contrast to the purely electrical parallel connection, the simultaneous mechanical coupling of the individual crystal plates has the advantage of
that they are combined into a single oscillation structure and thus the resonance frequencies of the individual plates must not exactly match: Some exemplary embodiments of the invention will now be explained in more detail with reference to the drawing.
For example, Fig. 1 shows one. longitudinally oscillating crystal resonator. The three stacked and mechanically interconnected crystal plates k ,, k2, k3 have the same length and width,
as the single crystal corresponding to the crystal resonator shown would have. However, the thickness of each of the individual plates k 1, k2, k3 is three times and the total thickness of the crystal resonator is thus nine times that of the individual crystal corresponding to it. With e1, e2, es, e,
are the crystal electrodes and q, q2 the power supply lines. The horizontal arrows indicate the direction of oscillation of the crystal plates k1, k2, k3.
The excitation voltage is on. the griatallel electrodes placed so that the direction of the electric field, which is indicated by the vertical arrows, is opposite in two adjacent individual plates.
The abutting surfaces of the crystal plates kl, k2, k3 thus have similar charges, which is why a common electrode (e2, e3) is assigned to each of these crystal surfaces. So that the individual plates kl, k2,
k3 in phase; vibrate and the entire crystal structure performs uniform longitudinal vibrations, the crystal plate k2 has the opposite crystal:
Orientation similar to that of the crystal plates 1l, k3. To avoid the occurrence of undesired vibration components,
Furthermore, the vibration amplitudes excited in the individual plates must match one another. The crystal plates are correct. with regard to the material constants and the dimensions, the condition of equal vibration amplitudes is always met.
Consists. Since, on the other hand, the crystal resonator is made from crystal plates of different materials in order to achieve special data, the matching of the oscillation amplitudes can be achieved by choosing different thicknesses of the individual plates.
in the latter there are different electric field strengths.
The mechanically rigid connection of the individual crystal plates, which incidentally does not need to extend over the entire contact surface of the same; can be carried out by methods known per se. The crystal plates can e.g. B. cemented or soldered after previous metallization who the.
With certain types of crystal you can. the individual plates are also connected to one another by fusing the crystal material along the edges not covered by the electrode coating.
Furthermore, the electrode coverings of the individual plates can in certain cases be welded to one another. The welding can take place, for example, by eddy current heating.
FIG. 2 shows a crystal filter of a circuit known in principle (bridge band filter according to Cauer), in which the bridge branches consist of crystal resonators according to FIG. I., and in FIG. 3 the equivalent scheme is this:
Filters. shown. The two longitudinal branches of the bridge filter are implemented - by the crystal resonator gL and the two diagonal branches by the crystal resonator KD, each of which consists of:
three individual plates leL '* kL ", <I> k </I> L"' and kD ', kD ", kD"' each with four double electrodes e, with common electrodes .. being assigned to the abutting crystal surfaces. The solid arrows in FIG. 2 indicate the current course in the diagonal branches and the <RTI
ID = "0002.0186"> dashed arrows represent the course of the current in the longitudinal branches. In the substitute scheme according to FIG. 3, the dashed arrows indicate the mutual mechanical coupling of the individual plates of the crystal resonators KL and KD.
The invention is of course not limited to FS: filter arrangements, but it extends analogously to all piezoelectric devices in which the calculation of the oscillating crystals leads to crystal dimensions which can no longer be realized for technological reasons. In addition, the invention offers the possibility of
to achieve crystal resonators with special physical data by mechanical connection of single crystal plates made of different materials.