DE1276837B - Piezoelektrisches Frequenzfilter - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

H03h

Deutsche Kl.: 21 g - 34

Nummer: 1276 837

Aktenzeichen: P 12 76 837.5-35 (S 97479)

Anmeldetag: 4. Juni 1965

Auslegetag: 5. September 1968

Die Erfindung bezieht sich auf ein piezoelektrisches Frequenzfilter, bestehend aus zwei mit Anschlußelektroden versehenen piezoelektrischen Schwingkristallen, die sich mit ihren einander zugewandten ebenen Flächen in geringem Abstand gegenüberliegen und die zwischen sich einen elastisch nachgiebigen Körper einschließen.

Es ist bereits ein Frequenzfilter dieser Art bekannt, bei dem die beiden Schwingkristalle durch einen zwischen ihnen angeordneten festen, flüssigen oder gas- ίο förmigen Körper mechanisch miteinander gekoppelt sind. Ein fester oder flüssiger, also ein in sich starrer Kopplungskörper, bewirkt genau wie bei den bisher üblichen Filtern dieser Art mit einem zwischengelegten Metallschirm aus Kupferblech od. dgl., daß beide Schwingkristalle wie ein aus einem Stück bestehender Körper einheitlich schwingen. Da der im Eingangskreis liegende Schwingkristall mitunter auch in unerwünschten Schwingungszuständen schwingt, die sich über einen solchen starren Koppelkörper unmittelbar auf den im Ausgangskreis liegenden Schwingkristall übertragen, haben solche bekannten Frequenzfilter unsymmetrische Durchlaßkurven, bei denen nicht nur bei der Mittenfrequenz eine stark ausgeprägte Resonanzspitze vorhanden ist, sondern die auch bei anderen neben der Mittenfrequenz liegenden Frequenzen Resonanzspitzen verschiedener Größe besitzen. Es gelangen so auch unerwünschte Frequenzen vom Eingangskreis zum Ausgangskreis des Filters, so daß es in manchen Fällen erforderlich ist, zusätzliche Filterstufen vorzusehen, um eine bestimmte Durchlaßkurve zu erhalten.

Ein weiterer Nachteil der oben beschriebenen bekannten piezoelektrischen Frequenzfilter besteht noch darin, daß es in Hinblick auf die Möglichkeit des Auftretens von unerwünschten Schwingungszuständen schwierig ist, für einander gleich aufgebaute Frequenzfilter auch gleiche Durchlaßkurven zu erhalten, so daß bekannte derartige Frequenzfilter, wenn sie defekt sind, bei bestimmten Schaltungen nicht ohne weiteres gegen neue Frequenzfilter ausgetauscht werden können. Aus dem gleichen Grunde ist es auch schwierig, die bekannten Frequenzfilter so herzustellen, daß ihre Bandbreite einen ganz bestimmten gewünschten Wert besitzt.

Ein gasförmiger Körper als Koppelelement zwischen den beiden Schwingkristallen besitzt zwar unter gewissen Voraussetzungen elastisch nachgiebige Eigenschaften, doch würde ein solches Gaspolster wieder nicht die nötige akustische Kopplung zwischen den Schwingkristallen gewährleisten, und mit einer solchen Anordnung könnte daher kein in der Praxis Piezoelektrisches Frequenzfilter

Anmelder:

Sonus Corporation, Cambridge, Mass. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls

und Dr. E. v. Pechmann, Patentanwälte,

8000 München, Schweigerstr. 2

Als Erfinder benannt:

Eric Arthur KoIm, Brookline, Mass. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 4. Juni 1964 (372482) --

brauchbares Frequenzfilter aufgebaut werden. Eine solche Anordnung würde sich im wesentlichen nur für Oszillator-Schwingkreise eignen. Mit einem solchen Gaspolster zwischen den Schwingkristallen könnten auch nicht in ausreichendem Maße störende Schwingungen des Eingangkristalls gedämpft werden, so daß auch ein in dieser Weise aufgebautes Filter eine unsymmetrische und Undefinierte Durchlaßkurve besitzen würde.

Bei einem anderen bekannten piezoelektrischen Frequenzfilter, das ebenfalls aus zwei mit Anschlußelektroden versehenen piezoelektrischen Schwingkristallen besteht, ist zwischen beiden Schwingkristallen das Ende einer frei schwingenden Zunge aus Metall oder Glas, wie sie bei handelsüblichen Zungenfrequenzmessern verwendet wird, eingefügt, an deren Seitenflächen die Schwingkristalle mit ihren einander zugewandten ebenen Flächen angeklebt sind. Die bekannte Anordnung wirkt dabei so, daß im Falle, in dem dem im Eingangskreis liegenden Schwingkristall eine der Resonanzfrequenz der aus dem Zwischenraum zwischen der Schwingkristalle vorstehenden Zunge entsprechende Frequenz elektrodenseitig zugeführt wird, die Zunge in Resonanz gelangt und den anderen im Ausgangskreis liegenden Schwingkristall mit der gleichen Frequenz verformt, so daß an den Elektroden dieses Schwingkristalls eine Wechselspannung abnehmbar ist, deren Frequenz der Resonanzfrequenz der Zunge entspricht. Da nun die Zunge nur mit ihrer Resonanzfrequenz schwingen

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kann und auf störende mechanische Nebenschwin- F i g. 4 zeigt die Durchlaßkurve eines piezoelektri-

gungen des im Eingangskreis liegenden Schwingkri- sehen Frequenzfilters gemäß der Erfindung; stalls nicht anspricht, wird mit dieser bekannten An- Fig. 5 zeigt eine in Fig. 3 entsprechende Durchordnung zwar eine symmetrische Durchlaßkurve er- laßkurve eines bekannten piezoelektrischen Frequenzhalten. Durch die Verwendung der Zunge besteht da- 5 filters, dessen Schwingkristalle jedoch mit einer höhebei der Nachteil, daß das bekannte Filter nur im ren Polarisationsspannung vorpolarisiert wurden als Tonfrequenzbereich angewendet werden kann, jedoch die Frequenzfilter, für welche die in den F i g. 3 und 4 für höhere Frequenzlagen ungeeignet ist. dargestellten Kurven gelten;

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein piezeoelektri- F i g. 6 zeigt die Durchlaßkurve eines piezoelektrisches Frequenzfilter, bestehend aus zwei mit io sehen Frequenzfilters gemäß der Erfindung, das mit Anschlußelektroden versehenen piezoelektrischen der höheren Polarisationsspannung vorpolarisiert Schwinkristallen und einem dazwischenliegenden ela- wurde, während

stisch nachgiebigen Koppelkörper, zu schaffen, mit Fig. 7 und 8 zwei weitere Durchlaßkurven von

dem sich über den gesamten Frequenzbereich, in dem abgeänderten piezoelektrischen Frequenzfiltern geaus piezoelektrischem Material bestehende Schwing- 15 maß der Erfindung zeigen.

kristalle schwingen können, genau definierte symme- Obwohl die Erfindung im folgenden an Hand

irischen Durchlaßkurven erreichen lassen. scheibenförmig ausgebildeter Schwingkristalle be-

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Fre- schrieben wird, sei bemerkt, daß sich die Erfindung quenzfilter der eingangs erwähnten Art, erfindungs- mit den gleichen Vorteilen auch bei Schwingkristallen gemäß dadurch gelöst, daß der elastisch nachgiebige 20 anderer Ausbildung anwenden läßt. Körper aus einem festen, gummiähnlichen Material, F i g. 1 zeigt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes

insbesondere aus synthetischem Gummi, besteht und piezoelektrisches Frequenzfilter zum Übertragen mit seinen Stirnseiten unmittelbar mit den Elektroden von Energie von einer Energiequelle 12 mit einem der Schwingkristalle verklebt ist. inneren Widerstand R_s zu einer Last, die als Wider-

Durch den elastisch nachgiebigen Gummikörper 25 stand R_L dargestellt ist. Das Frequenzfilter 10 umfaßt zwischen den beiden Schwingkristallen wird erreicht, zwei polarisierte scheibenförmige piezoelektrische daß zwar die Resonanzschwingung des in dem Ein- Schwingkristalle 14 und 16, die auf entgegengesetzten gangskreis des Frequenzfilters liegenden Schwingkri- Seiten eines gleichfalls scheibenförmig elastischen stalls ohne Dämpfungsverlust auf das andere akustischen Kissens 18 angeordnet sind, das im fol-Schwingkristall übertragen wird, daß aber vornan- 30 genden noch näher beschrieben wird. Elektroden 20 dene Störschwingungen des eingangsseitigen Schwing- und 22 sind auf der äußeren Fläche 14 a und der kristalle von dem Körper absorbiert und nicht dem inneren Fläche 14 δ des Schwingkristalls 14 ausgebilanderen Schwingkristall zugeführt werden. Dadurch det. Ähnliche Elektroden 24 und 26 sind auf der ist es möglich, piezoelektrische Frequenzfilter mit ge- äußeren Fläche 16 α und der inneren Fläche 16 b des nau symmetrischer und gegebenenfalls untereinander 35 anderen Schwingkristalls 16 vorgesehen. Die Elektrogleicher Durchlaßkurve zu erhalten, so daß bei der den 20 bis 24 werden in der üblichen Weise mit Hilfe Herstellung von gemäß der Erfindung ausgebildeten eines Silbersuspensionsverfahrens oder durch Aufpiezoelektrischen Frequenzfiltern Ausschüsse kaum tragen von Silber in einer Glasfritte hergestellt, auftreten. Ein Leiter 28 mit einer Zuleitung 28 α wird mit der

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen piezo- 40 inneren Elektrode 22 des Schwingkristalls 14 verlötet elektrischen Frequenzfilters besteht darin, daß durch oder auf andere Weise elektrisch und mechanisch Verändern der Steifigkeit der Gummikörper die verbunden. Ein ähnlicher Leiter 30 mit einer Zulei-Breite der Durchlaßkurve in genau deffinierter Weise tung 30 a wird auf entsprechende Weise an der innegeändert und bei geeigneten Steifigkeitswerten unter ren Elektrode 26 des Wandlers 16 befestigt. Die Leidie Durchlaßbreiten der bekannten piezoelektrischen 45 ter 28 und 30 können dabei aus Metallfolie hergestellt Frequenzfilter abgesenkt werden kann, was eine werden und überdecken zweckmäßig die gesamte höhere Selektivität mit sich bringt. Fläche der ihnen zugewandten Elektroden, um eine

Außerdem hat sich bei gemäß der Erfindung aus- maximale Kopplung zwischen den Schwingkristallen gebildeten piezoelektrischen Frequenzfiltern gezeigt, zu erreichen. Die Leiter 28 und 30 sind mit den ihnen daß ihre Durchlaßbreite im Vergleich zu den bekann- 50 zugewandten Flächen 18 α und 18 b des Kissens 18 ten piezoelektrischen Frequenzfiltern wesentlich un- durch dünne Filme 32 und 34 aus einem sehr hart abhängiger von der Höhe der Polarisationsspannung werdenden Klebstoff verbunden, der eine Übertraist, mit der die das Frequenzfilter bildenden Schwing- gung von akustischer Energie bei minimalen Verkristalle vorpolarisiert sind. lusten ermöglicht. Die Klebstoffilme 32 und 34 kön-

Die Erfindung wird im folgenden an Hand sehe- 55 nen aus einem Epoxyharz bestehen, doch ist es matischer Zeichnungen an mehreren Ausführungs- zweckmäßiger, einen Cyanacrylat-Klebstoff zu verbeispielen näher erläutert. wenden, der eine besonders dünne, jedoch sehr feste

F i g. 1 zeigt ein in eine Schaltung eingefügtes Bindeschicht zwischen Flächen aus unähnlichen Mapiezeoelektrisches Frequenzfilter gemäß der Erfin- terialien liefert. Außerdem erhärtet dieser Klebstoff dung in Seitenansicht; 60 sehr schnell, wobei sich sein Volumen praktisch nicht

F i g. 2 zeigt in vergrößerter perspektivischer Dar- ändert, so daß die Verbindungsschicht nur eine relastellung ein aus elastisch nachgiebigem Material be- tiv kleine Wirkung auf die Gesamtcharakteristik des stehendes Kissen, wie es bei dem Frequenzfilter nach Frequenzfilters ausübt. F i g. 1 verwendet wird; Da die Wechselspannungsquelle 12 an die Elek-

F i g. 3 zeigt die Durchlaßkurve eines bekannten 65 troden 20 und 28 des einen Schwingkristalls 14 angepiezoelektrischen Frequenzfilters, dessen beide schlossen ist, während der Lastwiderstand R_L mit den Schwingkristalle mit ihren einander zugewandten Elektroden 24 und 30 des anderen Schwingkristalls ebenen Flächen unmittelbar aneinandergeklebt sind; 16 verbunden ist, ist die Quelle 12 durch das Vor-

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sehen des Kissens 18 aus elastisch nachgiebigem Ma- Das zum Erhalt der in F i g. 5 gezeigten Durchlaß-

terial von der Last R_L elektrisch isoliert. kurve verwendete piezoelektrische Frequenzfilter ent-

Das Kissen selbst ist gemäß F i g. 2 relativ dünn, sprach dem zum Erhalt der Durchlaßkurve von und seine Dicke liegt bei praktischen Ausführungs- F i g. 3 verwendeten Frequenzfilter, wobei jedoch die formen in der Größenordnung von etwa 0,4 bis etwa 5 Schwingkristalle mit einer Polarisationsspannung von 1,6 mm. Als Material für das Kissen 18 dient ein 2500 V polarisiert wurden. Die Mittenfrequenz begummiähnlicher Werkstoff, wie Neopren, sowie die trug dabei wiederum 262 kHz. Man erkennt aus Silikongummiarten. F i g. 5, daß die Anwendung einer höheren Polarisa-

Bei der Anordnung nach F i g. 1 und 2 veranlaßt tionsspannung zu einer Verringerung der Selektivität eine der Quelle 12 entnommene Wechselspannung io führt. Die Bandbreite bei 6 db beträgt nämlich bereits den Schwingkristall 14, Schwingungen auszuführen, 11,3 kHz, während die Bandbreite für 30 db. bei die bei dem hier gezeigten relativ dünnen scheiben- 219,7 kHz außerhalb des Maßstabes liegt und mehr förmigen Kristall in erster Linie in radialer Richtung als das Neunzehnfache der Bandbreite bei 6 db beerfolgen. Jedoch treten auch andere weniger ausge- trägt.

prägte unerwünschte Schwingungsarten auf, die aber 15 Bei dem zum Erhalt der Durchlaßkurve in F i g. 6 von dem Kissen 18 absorbiert werden, so daß nur verwendeten Frequenzfilter,das mit Ausnahme der Eindie vorherrschende akustische Energie, die durch fügung des erfindungsgemäßen Kissens zwischen die Schwingungen mit den Eigenfrequenzen des Schwing- beiden Schwingkristalle wie das zum Erhalt der Durchkristalls 14 erzeugt wird, mit sehr geringer Dämpfung laßkurve von F i g. 5 verwendete Frequenzfilter ausdurch das Kissen 18 auf den Schwingkristall 16 über- ao gebildet war und dessen Schwingkristalle gleichfalls tragen wird. Dieser Schwingkristall schwingt dann in mit einer Gleichspannung von 2500 V vorpolarisiert der Frequenz der von dem Kissen 18 übertragenen waren, besaß das Kissen 18 eine Dicke von etwa Energie, so daß zwischen den Elektroden 24 und der 0,8 mm sowie eine Durometerhärte von 45. Wie Zuleitung30a eine Spannung entsprechende Fre- Fig. 6 zeigt, verleiht das Kissen 18 der Durchlaßquenz erscheint. 35 kurve auch hier eine solche Form, daß die Rand-

Bei dem zum Erhalt der Durchlaßkurve gemäß Selektivität auf beiden Seiten der Mittenfrequenz ver-F i g. 3 verwendeten piezoelektrischen Frequenzfilter, bessert wird. Bei diesem Beispiel beträgt die 6-dbbei welchem die beiden Schwingkristalle 14 und 16 Bandbreite 9,6 kHz, während die 30-db-Bandbreite in bekannter Weise direkt aneinandergeklebt sind, be- 86,5 kHz beträgt und somit nur neunmal so groß ist. sitzen diese Schwingkristalle jeweils eine Dicke von 30 F i g. 7 zeigt eine weitere ähnliche Kurve für ein etwa 0,65 mm und einen Durchmesser von etwa Frequenzfilter mit einem akustischen Kissen 18, des-5,3 mm. Das verwendete keramische Material hatte sen Dicke etwa 0,8 mm beträgt und das aus Silikoneine Dielektrizitätskonstante von 1200 und einen gummi mit der Durometerhärte 65 besteht. Die mechanischen ß-Wert von 350 und wurde mit Hilfe Schwingkristalle des Frequenzfilters waren ebenfalls einer Gleichspannung von 1500 V polarisiert. Die 35 mit Hilfe einer Gleichspannung von 2500 V polari-Darstellung von F i g. 3 gilt für einen Frequenz- siert. Auch dieses Frequenzfilter besitzt eine Durchbereich von 100 kHz, wobei die Frequenz f₀ bei etwa laßkurve, die durch eine scharf ausgeprägte Spitzen 262 kHz liegt. Als innerer Widerstand R_s der Quelle bei der Mittenfrequenz und eine relativ scharfe Rand-12 wurde ein Widerstand von 10 000 Ohm gewählt, Selektivität gekennzeichnet ist.
während die Last R_L einen Widerstand von 200 bis 40 F i g. 8 zeigt eine Durchlaßkurve für ein weiteres 5000 Ohm aufwies. erfindungsgemäßes Frequenzfilter, bei dem das Kis-

Wie F i g. 3 deutlich erkennen läßt, weist die ziem- sen eine Dicke von etwa 1,6 mm hat und aus Neopren lieh unregelmäßige Frequenzcharakteristik auf das besteht. Die 6-db-Bandbreite der Durchlaßkurve beVorhandensein störender Schwingungsarten in dem trägt dabei 10,2 kHz, während die 30-db-Bandbreite Frequenzfilter hin. Ferner läßt die Kurve relativ 45 49,9 kHz beträgt und somit etwa fünfmal so groß ist. schlechte Trenncharakteristiken erkennen. Bei den Wenn man die Steifigkeit des Materials für das Kis-

Punkten für 6 db beträgt die Bandbreite etwa sen erhöht, wird die Energieübertragung außerhalb 9,6 kHz, während die Punkte für 30 db in einem des Durchlaßbereiches noch stärker gedämpft, wobei Abstand von etwa 113,4 kHz von der Mittenfrequenz aber gleichzeitig die Durchlaßbreite vergrößert wird, liegen, so daß die 30-db-Bandbreite nahezu das 50 wie es aus F i g. 7 und 8 hervorgeht, deren Durch-Zwölffache der Bandbreite bei 6 db beträgt. laßkurven mit relativ steifen Kissen erhalten wurden.

Das zum Erhalt der Durchlaßkurve gemäß F i g. 4 Diese steiferen Kissen können jedoch zu Störerscheiverwendete Frequenzfilter, dessen Schwingkristalle nungen Anlaß geben, was aus den kleineren Zacken die gleichen Parameter wie das zum Erhalt der der Kurven ersichtlich ist; diese Störerscheinungen Durchlaßkurve gemäß F i g. 3 verwendete Frequenz- 55 müssen dann mit Hilfe anderer bekannter Mittel ausfilter bekannter Art besitzen, war das gemäß der Er- geschaltet werden.

findung vorgesehene Kissen 18 als einfache Scheibe Die Kurven in F i g. 4 und 6 bis 8 lassen ferner er-

aus Neopren der Durometerhärte 55 ausgebildet und kennen, daß die vorteilhaften Wirkungen des Kissens besaß eine Dicke von etwa 0,4 mm. Die damit erhal- geringer werden, wenn man die Dicke des Kissens 18 tene Durchlaßkurve besitzt eine scharf ausgeprägte 60 vergrößert. Bei zunehmender Dicke des Kissens 18 Resonanz an der Mittenfrequenz, die der Eigenreso- wird außerdem ein größerer Teil der akustischen nanzfrequenz der Schwingkristalle entspricht. Ferner Energie durch das Kissen absorbiert, so daß sich die zeigt die Kurve eine scharfe Trenncharakteristik auf Eigenverluste des Frequenzfilters erhöhen. Wenn beiden Seiten der Mittenfrequenz, was eine 6-db- optimale Ergebnisse erzielt werden sollen, muß das Bandbreite von nur 7,6 kHz mit sich bringt, während 65 akustische Kissen daher eine ziemlich geringe Dicke die 30-db-Bandbreite 43,5 kHz beträgt. Die 30-db- in der Größenordnung von etwa 0,4 mm erhalten.
Bandbreite entspricht somit höchstens dem Fünf- Es sei noch bemerkt, daß die Abnahme der Selek-

fachen der Bandbreite bei 6 db. :..,.;.·/ tivität des erfindungsgemäßen Frequenzfilters bei

höheren Polarisationsspannungen erheblich gerniger ist als bei bekannten derartigen Frequenzfiltern. Dies wird ersichtlich, wenn man Fig. 3 und 5 mit den F i g. 4 und 6 bis 8 vergleicht.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Piezoelektrisches Frequenzfilter, bestehend aus zwei mit Anschlußelektroden versehenen piezoelektrischen Schwingkristallen, die sich mit ihren einander zugewandten ebenen Flächen in geringern Abstand gegenüberliegen und die zwischen sich einen elastisch nachgiebigen Körper ein-

   schließen, dadurch gekennzeichnet, daß der elastisch nachgiebige Körper (18) aus einem festen, gummiähnlichen Material, insbesondere aus synthetischem Gummi, besteht und mit seinen Stirnseiten unmittelbar mit den Elektroden (22, 26) der Schwingkristalle (14, 16) verklebt ist (Klebschichten 32, 34).

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Deutsche Patentschriften Nr. 755 220, 912709;
   USA.-Patentschrift Nr. 2 875 353;
   »Funkschau«, 1963, H. 9, Bd. 35, S. 232 bis 238.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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