DE1198866B - Piezoelectric disk-shaped radial oscillator - Google Patents
Piezoelectric disk-shaped radial oscillatorInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 405TiW PATENTAMT FEDERAL REPUBLIC OF GERMANY GERMAN 405TiW PATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Int. Cl.:Int. Cl .:
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H03hH03h
Deutsche Kl.: 21 a4 -10German class: 21 a4 -10
S 78750 IX d/21 a4
30. März 1962
19. August 1965S 78750 IX d / 21 a4
March 30, 1962
August 19, 1965
Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Radialschwinger, der aus einer Scheibe keramischen Materials wie Bariumtitanat, Blei-Zirkon-Mischtitanat od. dgl. aufgebaut ist. Ein derartiger Radialschwinger dient als selektives Filterelement an Stelle von beispielsweise elektrischen Schwingkreisen. Das radialschwingende, scheibenförmige piezoelektrische Bauelement ist auf seinen Oberflächen mit elektrisch leitfähigen Belegungen versehen. An diese Belegungen werden die elektrischen Anschlußorgane geführt, so daß das Schwingungselement entsprechend seiner Struktur und seinen Abmessungen bestimmte Resonanzschwingungen bei Spannungsanlegung ausführen kann. Dabei ist die piezoelektrische Keramik vorpolarisiert, so daß bei Anlegen von elektrischen Spannungen an die elektrisch leitfähigen Belegungen je nach der Ausbildung des elektrischen Feldes innerhalb der keramischen Scheibe zwischen den Belegungen bestimmte Schwingungsformen auftreten.The invention relates to a piezoelectric radial oscillator, which consists of a ceramic disk Material such as barium titanate, lead-zirconium mixed titanate or the like. Is constructed. Such a radial oscillator serves as a selective filter element instead of, for example, electrical oscillating circuits. That radially oscillating, disc-shaped piezoelectric component is electrically connected to its surfaces conductive coverings. The electrical connection elements are routed to these assignments, so that the vibrating element according to its structure and its dimensions certain resonance vibrations can perform when voltage is applied. The piezoelectric ceramic is pre-polarized, so that when electrical voltages are applied to the electrically conductive coverings depending on the formation of the electrical field within the ceramic disk between the coatings certain waveforms occur.
Es ist bereits bekannt, bei einem platten- oder scheibenförmigen piezoelektrischen Schwinger mit zwei nur einen Mittelteil des Körpers zwischen sich einschließenden, zur Anregung von Dickenschwingungen der Hauptresonanzstelle dienenden Elektroden zu diesem Zweck die Randpartien mit einem elastischen Material zu überziehen. Dieserart gelingt es, eine gewisse Dämpfung der Oberschwingungen ohne erhebliche Verschlechterung der Resonanzeigenschaften der Grundschwingung zu erzielen. Immerhin muß auch bei dieser bekannten Maßnahme eine gewisse Dämpfung in bezug auf die Grundschwingung in Kauf genommen werden. Außerdem besteht hierbei die Gefahr, daß sich durch Änderungen der Masse oder der Elastizität der auf den Randpartien angebrachten Dämpfungsschicht auch die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Körpers ändert. Um solche Änderungen möglichst klein zu halten, ist darüber hinaus bereits vorgeschlagen worden, als Dämpfungsschicht ein Material zu verwenden, das bei den im Betrieb auftretenden, oftmals hohen Temperaturen nicht der weiteren Austrocknung und der Erweichung unterworfen ist. Es ist auch bereits bekannt, eine als piezoelektrischer Körper benutzte Quarzscheibe an ihrem Rand mit Hilfe eines Materials von hoher innerer Dämpfung, wie Filz, zu halten. Durch eine solche die Randschwingungen dämpfende Halterung wurde aber gleichzeitig auch die Hauptresonanz in störendem Maße mitgedämpft. It is already known to have a plate-shaped or disk-shaped piezoelectric oscillator two enclosing only a central part of the body between them, for the excitation of thickness vibrations the main resonance point serving electrodes for this purpose the edge areas with a elastic material to cover. In this way it is possible to dampen the harmonics to a certain extent without significant deterioration in the resonance properties of the fundamental. After all, with this known measure, too, a certain damping with respect to the fundamental oscillation must be achieved be accepted. In addition, there is a risk that changes the mass or the elasticity of the damping layer attached to the edge areas the resonance frequency of the piezoelectric body changes. To make such changes as small as possible hold, it has also already been proposed to use a material as the damping layer, This does not prevent further dehydration at the often high temperatures that occur during operation and is subject to softening. It is also already known one as a piezoelectric body used quartz disk on its edge with the help of a material of high internal damping, such as Felt to hold. However, at the same time, such a bracket damping the boundary vibrations the main resonance is also attenuated to a disruptive extent.
Darüber hinaus sind bereits radialschwingende scheibenförmige Bauelemente bekannt, bei denen die Nebenresonanzen nur durch eine Mehrzahl vonIn addition, radially vibrating disc-shaped components are already known in which the Side resonances only through a plurality of
Piezoelektrischer scheibenförmiger
RadialschwingerPiezoelectric disc-shaped
Radial oscillator
Anmelder:Applicant:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,Berlin and Munich,
München 2, Witteisbacherplatz 2Munich 2, Witteisbacherplatz 2
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Dipl.-Phys. Eugen Tränkle, MünchenDipl.-Phys. Eugen Tränkle, Munich
unterschiedlichen Schwingern mit gleichen Grund-,different transducers with the same basic,
«ο aber verschiedenen Oberschwingungen vermieden oder wenigstens weitgehend vermindert werden, können.«Ο but avoided various harmonics or at least largely reduced, can.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen scheibenförmigen RadialschwingerThe invention is based on the object of a piezoelectric disk-shaped radial oscillator
as zu schaffen, dessen Nebenresonanzen unter Vermeidung der vorerwähnten Nachteile vermieden oder weitgehend vermindert werden.as to create its secondary resonances while avoiding the aforementioned disadvantages can be avoided or largely reduced.
Die Erfindung besteht darin, daß die Scheibe im Bereich der Stellen mit Verdickungen versehen ist, an denen die unerwünschte Oberschwingung ihre maximale Amplitude aufweist. So weist die Scheibe aus Keramik erfindungsgemäß z. B. ringförmige Wülste auf, die entweder nur auf der einen oder auf beiden Scheibenseiten ausgebildet sind.The invention consists in the fact that the disc is provided with thickenings in the area of the points at which the undesired harmonic has its maximum amplitude. So shows the disc made of ceramic according to the invention z. B. annular beads that either only on one or are formed on both sides of the disc.
Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird zur Verminderung der ersten radialen Oberschwingung, die am ehesten störend zur Geltung kommen kann, der Durchmesser der ringförmigen Wulst gleich demjenigen Durchmesser gewählt, auf dem die Schwingungsamplitude bei der ersten Oberschwingung ihren maximalen Wert erreicht. Die Durchmesser der ersten Oberschwingungsamplitude werden nach der GleichungAccording to a further embodiment of the invention, to reduce the first radial harmonic, which is most likely to be disruptive, the diameter of the ring-shaped Bead chosen equal to that diameter on which the oscillation amplitude at the first harmonic reaches its maximum value. The diameters of the first harmonic amplitude be according to the equation
Oi · TaOi · Ta
+ J0(x) = 0; m = — + J 0 (x) = 0; m = -
festgelegt. Dabei bedeuten Z1Ot) und J0(x) die Besselschen Funktionen erster Art. Mit m ist der Reziprokwert der Poissonschen Zahl ausgedrückt.set. Z 1 Ot) and J 0 (x) denote the Bessel functions of the first kind. The reciprocal of the Poisson's number is expressed with m.
„= „Qu ■ x ist der normierte Ausdruck für"=" Qu ■ x is the standardized expression for
r Längsdehnung r elongation
x · r, wobei r den Radius um den Scheibenmittel- x r, where r is the radius around the disk center
509 657/294509 657/294
punkt darstellt, α ist der Ersatzausdruck für folgende Beziehung:point, α is the replacement expression for the following Relationship:
._ J^EL. l/i._ J ^ EL. l / i
m VEm PU
ω .ω.
Dabei wird für ρ die Dichte, für E der Elastizitätsmodul und für ω die Kreisfrequenz 2 · π · f eingesetzt. Berechnungsbeispiele für derartige Schwingungsformen sind z. B. in einem Artikel in »Frequenz«, Bd. 11, 1957, Heft 5, S. 167 bis 170, über »Die Berechnung der Resonanzfrequenzen radial schwingender Kreisscheiben und Kreisringe« angegeben.The density is used for ρ, the modulus of elasticity for E and the angular frequency 2 · π · f for ω. Calculation examples for such waveforms are z. B. in an article in "Frequency", Vol. 11, 1957, Issue 5, pp. 167 to 170, on "The calculation of the resonance frequencies of radially vibrating circular disks and circular rings".
Als günstigstes Verhältnis des Wulstdurchmessers dw zum Scheibendurchmesser dSch ergibt sich dw'-dsch = 0,34. Aus JJ^) + J0(X) = O The most favorable ratio of the bead diameter d w to the disk diameter d Sch results in dw'-dsch = 0.34. From JJ ^) + J 0 (X) = O
nt· (X · Γαnt (X Γα
2525th
folgt für die erste Oberschwingung die Lösungthe solution follows for the first harmonic
x = ara = 5,39.
Mit x = ar a = 5.39.
With
ζ = &°"- g(r) und g(x) = AJ1 (x) + B · N1 (x)
ist die Elongation dann proportional zuζ = & ° "- g (r) and g (x) = AJ 1 (x) + B · N 1 (x)
the elongation is then proportional to
J1 (« r) = Λ Lx ra · -^) = J1 (5,39 -^- J 1 (« r) = Λ Lx r a · - ^) = J 1 (5.39 - ^ -
Daraus ergibt sich die Kurve mit der maximalen Elongation Elgmax bei 0,34 ra gemäß F i g. 1.This results in the curve with the maximum elongation Elg max at 0.34 r a according to FIG. 1.
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung weist die Scheibe auf ihrer Ober- und/oder Unterseite stegförmige Verdickungen auf, wobei sich eine Anordnung als besonders vorteilhaft erwiesen hat, bei der ein scheibenförmiger Radialschwinger mit kreisförmiger Basis einen Mittelsteg auf seiner einen Seite und einen hierzu orthogonal angeordneten Mittelsteg auf seiner anderen Seite aufweist. Die keramische Scheibe ist dann an den Stellen dieses Steges verdickt.According to a further proposal of the invention, the disc has on its top and / or bottom Bar-shaped thickenings, an arrangement having proven to be particularly advantageous, in which a disk-shaped radial oscillator with a circular base has a central web on its one Side and has a central web arranged orthogonally to this on its other side. the ceramic disk is then thickened at the points of this web.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Verdikkungen erfolgt beispielsweise derart, daß bei einem keramischen Plättchen an einigen Stellen Material derart abgetragen, z. B. abgeschliffen wird, daß die Stege, Wülste od. dgl. noch vorhanden bleiben. Es ist ebenso möglich, das keramische Scheibchen durch Pressen od. dgl. sofort in die gewünschte Form zu bringen und danach den Sintervorgang vorzunehmen.The production of the thickenings according to the invention is carried out, for example, in such a way that with a ceramic platelets in some places material removed in such a way, z. B. is ground that the Bars, beads or the like still remain in place. It is also possible to push the ceramic disc through Press or the like to bring them into the desired shape immediately and then carry out the sintering process.
In den F i g. 2 und 3 ist ein piezoelektrischer Radialschwinger üblicher Ausbildung dargestellt und in den Fig. 4 bis 7 Beispiele für die erfindungsgemäße Ausbildung.In the F i g. 2 and 3, a piezoelectric radial oscillator of conventional design is shown and 4 to 7 examples of the design according to the invention.
Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte piezoelektrische keramische Scheibe besteht aus Bariumtitanat und hat einen Durchmesser von 9,3 mm und eine Dicke von 0,5 mm. Die elektrisch leitfähigen Belegungen sind nicht dargestellt.The piezoelectric shown in Figs ceramic disc is made of barium titanate and has a diameter of 9.3 mm and a Thickness of 0.5 mm. The electrically conductive assignments are not shown.
Die in den Fig. 4 und 5 dargestellte Scheibe aus Bariumtitanat gleichen Durchmessers ist mit den erfindungsgemäßen stegförmigen Verdickungen 2 und 3 versehen. Die Dicke der Scheibe einschließlich der Dicke der Stege beträgt 1,1mm. Fig. 5 macht ersichtlich, daß der Steg 2 auf der Oberseite der Scheibe orthogonal zu dem Steg 3 auf der Unterseite der Scheibe, der gestrichelt markiert ist, verläuft.The disk shown in FIGS. 4 and 5 from Barium titanate of the same diameter has the web-shaped thickenings 2 and 3 according to the invention Mistake. The thickness of the disc including the thickness of the webs is 1.1mm. Fig. 5 shows that the web 2 on the top of the disc is orthogonal to the web 3 on the underside of the Disc, which is marked with a dashed line, runs.
In F i g. 6 ist ein Schnitt durch ein kreisscheibenförmiges, radial schwingendes Element dargestellt, das erfindungsgemäß eine ringförmige Wulst 4 auf der Scheibenoberseite aufweist. Diese ringförmige Wulst hat einen Radius von 0,34 ra, wobei ra der Radius der Kreisscheibe ist.In Fig. 6 shows a section through a circular disk-shaped, radially oscillating element which, according to the invention, has an annular bead 4 on the upper side of the disk. This annular bead has a radius of 0.34 r a , where r a is the radius of the circular disk.
In Fi g. 7 sind die Verläufe der Beträge der Scheinwiderstände Zs eines bekannten Radialschwingers gemäß F i g. 2 und 3 und eines erfindungsgemäßen Radialschwingers gemäß F i g. 4 und 5 angegeben. Während bei dem bekannten Radialschwinger die Scheinwiderstandskurve A eine ausgeprägte Resonanzstelle bei etwa 5MHz neben der Grundresonanzfrequenz von etwa 0,3 MHz erkennen läßt, ist diese Resonanzstelle der ersten Oberschwingung beim Scheinwiderstandsverlauf B des erfindungsgemäßen Radialschwingers nicht mehr anzutreffen, sondern in eine Reihe kleinerer, nicht mehr störender Resonanzspitzen aufgelöst.In Fi g. 7 are the curves of the amounts of the apparent resistances Z s of a known radial oscillator according to FIG. 2 and 3 and a radial oscillator according to the invention according to FIG. 4 and 5 indicated. While in the known radial oscillator the impedance curve A shows a pronounced resonance point at about 5 MHz in addition to the basic resonance frequency of about 0.3 MHz, this resonance point of the first harmonic is no longer to be found in the impedance curve B of the radial oscillator according to the invention, but in a series of smaller ones, no longer disruptive resonance peaks resolved.
Claims (5)
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1081065;
USA.-Patentschrift Nr. 2 802 992;
»Funk-Technik«, Heft 15/1960, S. 286, 287.Considered publications:
German Auslegeschrift No. 1081065;
U.S. Patent No. 2,802,992;
"Funk-Technik", issue 15/1960, pp. 286, 287.
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1963
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- 1963-03-28 GB GB12266/63A patent/GB1028970A/en not_active Expired
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