DE1441095A1

DE1441095A1 - Piezoelektrischer Schwinger mit hohem Kopplungsfaktor

Info

Publication number: DE1441095A1
Application number: DE19621441095
Authority: DE
Inventors: Bartels Dipl-Phys Han Dietrich
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1962-06-27
Filing date: 1962-06-27
Publication date: 1969-01-09
Also published as: US3252017A; GB1041263A; NL294583A; DE1441095B2

Description

Die Erfindung betrifft piezoelektrische Schwinger, die z.B. für elektrische Filterelemente Verwendung finden. Derartige piezoelektrische Schwinger sind bereits z.B. aus "Bulletin of the Tamamata University¹¹, Ausgabe "Engineering", Vol.5, Ho.2, Seiten 335 bis 372, (März 1959)» bekannt. Sie bestehen aus einer metallischen Unterlage, auf der vorzugsweise in der Nähe des oder der Schwingungsknoten ein piezoelektrisches keramisches Plättchen befestigt ist. Auf dem piezoelektrischen Plättchen befindet sich weiterhin eine elektrisch leitfähige Belegung. Das Plättchen ist, wie bekannt, in Richtung von der elektrisch leitfähigen Belegung zur Metallunterlage vorpolarisiert. Zur Schwingungserzeugung wird eine elektrische Wechselspannung zwischen Metallunterlage und elektrisch leitfähiger Belegung angelegt, so daß sich elektrische Wechselfelder zwischen diesen Teilen innerhalb der piezoelektrischen Scheibe auszubilden ver-

Neue Unteriagsn (Art7_§iAbs._2N,

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mögen. Auf diese Weise werden mechanische Schwingungen dieses piezoelektrischen Schwingers hervorgerufen.

Bei den bekannten piezoelektrischen Schwingern, "bei denen Polarisierung und elektrisches Feld parallel bzw. antiparallel zueinander und parallel zur normalen der Ebene der Metallunterlage sind, verläuft die Portpflanzungsrichtung der gewünschten mechanischen Spannungswelle, z.B. der Dehnungswelle, durch die die Resonanzschwingung - z.B. die längs-, Radialoder auch die Biegungsschwingungen - überwiegend, d.h. neben dem untergeordneten Einfluß der Querkontraktion (Poissoneffekt), im wesentlichen senkrecht zur Polarisierungsrichtung. Handelt es sich z.B. um einen kreisförmigen Schwinger entsprechend den Figuren 1 und 2, dann ist die Portpflanzungsrichtung dieser mechanischen Welle des kreisförmigen Schwingelements radial ausgerichtet. Sie steht damit senkrecht auf der Polarisierungsund elektrischen Feldrichtung in der piezoelektrischen Scheibe.

Der Kopplungsfaktor k eines piezoelektrischen Elements ist definiert als die Wurzel aus der mechanisch abgegebenen Energie zur elektrisch aufgenommenen. Die piezoelektrische Konstante d ist das Verhältnis zwischen der relativen Längen- bzw. Dickenänderung und dem elektrischen Feld d «

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Aufgabe der Erfindung ist die Vergrößerung dieses Kopplungsfaktors. Durch diese Kopplungsfaktorvergrößerung ist es beispielsweise möglich, die Bandbreite bei Filtern, die aus derartigen piezoelektrischen Schwingern aufgebaut sind, zu vergrößern, u.zw. zum Beispiel bei gleichbleibend großem piezoelektrischem Körper.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Elektroden derart angeordnet sind, daß sich die durch die Anregung erzeugte mechanische Welle im wesentlichen parallel bzw. antiparallel zur Polarisierungs- und Anregungsfeldrichtung fortpflanzt, und daß die piezoelektrischen Scheiben gegeneinander bzw. gegen die metallische Unterlage durch eine Isolierschicht mit einer gegenüber dem Piezoelektrikum niedrigen Dielektrizitätskonstante und einer niedrigen elektrischen Leitfähigkeit getrennt sind.

Durch die Erfindung wird also vorgeschlagen, eine direkte Anregung des piezoelektrischen Schwingers vorzunehmen. Auf diese Weise wird überraschenderweise ein Kopplungsfaktorquadrat, d.h. eine Energieumwandlung, voneinem Mehrfachen, z.B. Zehnfachen desjenigen erreicht, das bei den seither bekannten piezoelektrischen Schwingern erreicht werden konnte. Durch

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Ausnützung des größeren Kopplungsfaktors wird ein günstigeres Verhältnis sswischen Schein- und Wirkleistung erzielt. Wenn der Kopplungsfaktor gleich groß "bleiben kann, so kann der Anteil der Keramik am ganzen Schwinger vermindert werden, was z.B. Vorteile bezüglich der Konstanz der zusammengesetzten Schwinger bringt.

Als niedrig dielektrisch, isolierende Trennschicht wird vorzugsweise eine dühne Glasschicht verwendet, Diese GKLasschicht kann z.B. auf der Metallunterlage aufgeklebt sein, oder es wird diese 6-lasschicht direkt auf der Metallunterlage aufgetragen. Die isolierende Trennschicht mit einer gegenüber dem Piezoelektrikum niedrigen Dielektrizitätskonstante hat die Aufgabe, die elektrischen Peldlinien zwischen den entsprechend auf den piezoelektrischen Scheiben angeordneten Elektroden im Piezoelektrikum im wesentlichen in lortpflanzungsrichtung der mechanischen Welle verlaufen zu lassen. Würde diese Isolierschicht fehlen, dann nähmen die elektrischen Feldlinien entsprechend dem geringsten elektrischen Widerstand einen Verlauf von einer Elektrode auf kürzestem Fege über das Piezoelektrikum zur Metallunterlage und von dieser auf kürzestem Wege zurück über das Piezoelektrikum zur anderen Elektrode. Dabei sind die elektrischen Felder im Piezo-

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elektrikum nicht mehr im Sinne der Erfindung parallel zur Portpflanzungsriohtung der "besagten mechanischen Welle, sondern im wesentlichen senkrecht dazu ausgerichtet, so daß der erfindungsgemäße Vorteil - Vergrößerung des Kopplungsfaktors - nicht oder nur in unwesentlichem Maße erräbht werden kann. Wird als Trennschicht z.B. Glas verwende^ dann ist die Dielektrizitätskonstante dieser Schicht vongm 5 um mehr als zwei Zehnerpotenzen kleiner als die Dielektrizitätskonstante eines Piezoelektrikums aus Bariumtitanat von etwa Sm 2000. Auch die elektrische Leitfähigkeit von Glas ist außerordentlich gering. Ist die elektrische Leitfähigkeit der Trennschicht zu hoch, dann kann durch Zusätze die elektrische Leitfähigkeit des Piezoelektrikums erhöht werden.

In den Pig. 1 und 2 sind bereits "bekannte piezoelektrische Schwinger und in den Fig. 3 bis 12 Beispiele erfindungsgeinäßer piezoelektrischer Schwinger dargestellt. Aus diesen Erfindungsbeispielen gehen weitere Erfindungsmerkmale hervor.

Gemäß Pig. 1 ist ein kreisförmiger piezoelektrischer Schwinger mit einer metallischen Unterlage 1 sowie einer kreisförmigen piezoelektrischen Scheibe 2 und einer darauf

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nxedergeschlagenen elektrisch leitfähigen Belegung 3 dargestellt. Bei Anlegen von elektrischer Wechselspannung zwischen die Metallscheibe 1 und die elektrische Belegung und Yorpolarisierung der piezoelektrischen Scheibe in Richtung von der Belegung zur Metal Ischeibe oder.umgekehrt vermag'dieses Element Schwingungen auszuführen, wobei die lOrtpflanzungsrichtung der meehanis chen Spannungswel/le WR, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, radial vom Mittelpunkt der Scheibe nach außen, also senkrecht zur Polarisationsrichtung und elektrischen Feldrichtung verläuft.

In Fig. 2 ist ein Schnitt des in Fig. 1 dargestellten Elements gezeigt. Die Richtung der Polarisierung ist mit P und der Anregung durch die elektrischen Felder ist mit E* angegeben.

In Fig. 3 ist ein kreisförmiges, erfindungsgemäßes Schwinge element mit piezoelektrischer Anregung dargestellt. Auch hier ist eine piezoelektrische Scheibe 2 auf einer Metallunterlage 1 aus Thermelaststahl angeordnet. Erfindungsgemäß befindet sich zwischen der keramischen Scheibe 2 und der metallischen Unterlage 1 eine gering dielektrische und gering elektrisch leitfähige Trennschicht 4, z.B. aus Glas.

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Die Elektroden sind erfindungsgemüß in Form einer kreißförniigen TÜlektode 3a im Zentrum der Kreisscheibe und einer ringförmigen Elektrode 3b an der Peripherie der piezoelektrischen Scheibe angeordnet. Die Portpflanzungsrichtung der mechanischen Welle V/R ist ebenfalls radial ausgeprägt. In Pig. 4'ist ein Schnitt durch den in ?ig. 3 dargestellten erfindungsgeniäßen piezoelektrischen Schwinger angegeben. Daraus ist ersichtlich_? daß die isolierende Trennschicht 4 eine Kontalctgabe ' zwischen der Metallunterlage 1 und der piezoelektri- , : sehen Scheibe 2 verhindert. Die Polarisierung P ist radial vom Zentrum der Kreisscheibe nach der Peripherie, d„h. parallel bzw. antiparallel zur Vfellenfortpflanzungs-. dichtung der mechanischen Welle V/R, ausgebildet.* Ebenso verläuft das elektrische Feld E^ im wesentlichen parallel bzw. antiipäraliel zur Polarisierung gemäß dem in Fig. 5 dargestellten.Ausschnitt aus Fig. 4ο

In Fig. 6 ist ein anderer erfindungsgemäßer piezoelektri-. acher Schwinger im Schnitt dargestellt. Dieser Schwin- ; ger ist aus zwei piezoelektrischen Scheiben 2' und 2^fl aufgebaut. Diese Scheiben sind durch eine elektrisch isolierende Trennschicht 4 mit gegenüber dem Piezoelek-. trikum geringer Dielektrizitätskonstante'getrennt. Auf

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den Außenseiten der kreisförmigen piezoelektrischen Scheiben sind ebenfalls an der Peripherie ringförmige. Belegungen 3h und im Zentrum kreisförmige Belegungen. 3a aufgetragen, die jeweils in der angegebenen Weise miteinander kontaktiert sind. Die Polarisierung der. piezoelektrischen Scheiben ist in Sichtung P in. , der Scheibe 2' radial von innen nach außen und, in der Scheibe 2" radial von außen nach innen vorgenommen» Bei Anlegen von Wecbeelspannungen geeigneter Frequenz an die Kontaktierungspunkte 5a und 5b führt das piezoelektrische.Schwingelement mechanische . Schwingungen aus, " - ·'

In der Pig. 7 ist ein erfindungsgemäßer Stabbiegeschwinger dargestellt. Auf einer etabförmigen metalli- . sehen Unterlagsplatte 1 ist unter'Zwischenfügung einer erfindungsgemäßen Trennschicht 4 ein keramisches piezoelektrisches Plättchen 2 befestigt. An den Enden dieses ; piezoelektrischen Plättchens sind zwei elektrische 3e-'legungen 3a und 3b als Elektroden angeordnet. Bei AnIe-. gen von Wechselspannung an die Elektroden 3a und 3b bil-r den sich elektrische Felder zwischen diesen Elektroden im Piezoelektrikum aus, die bei Vorpolarisierung in etwa paralleler bzw. antiparalleier Richtung zu Schwingungen Anlaß geben; Die Fortpflanzungsrichtung der mechani-

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.sehen Teile WR ist parallel bzw. antiparallel zur Richtung der Polarisierung und der elektrischen Felder gerichtet. In Fig. 8 ißt ein Schnitt durch den in Fig. 7 dargestellten erfindungsgemäßen Schwinger angegeben.¹ Die Trennschicht 4 verhindert eine empfindliehe 'Ablenkung der elektrischen Felder in Eic.htung zur metallischen Unterlage 1.

In Fig.. 9 ist ein weiteres Beispiel eines, erfindungs- . gemäßen piezoelektrischen Schwingers dargestellt,- bei dem zwei piezoelektrische Plättchen 2' und 2" auf einem stabförmigen Metallplättchen. 1 unter Zwischenlage von erfindungsgemäßen Trennschichten 4¹ und 4" angeordnet, sind. Am oberen Ende des Plättchens 2'ist eine elektrisehe Belegung 3a und am unteren Ende des anderen Plättchens 2"eine andere Belegung 3b aufgetragen. Weitere elektrische Belegungen 3c verbinden beide piezoelektrische Plättchen über die Metaliunterlagei galva- ' hiseh miteinander. Die elektrischen Felder verlaufen im wesentlichen parallel bzw. antiparallel - zu der üölari-· aierungsriebtung P und auch die Fortpflanzungsrichtung der mechanischen Welle entspricht dieaera Verlauf.

In Fig. 10 ist ein erfindungsgemäßer piezoelektrischer Schwinger mit zwei piezoelektrischen Scheiben 2* und 2"

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und einer metallischen Unterlage 1 dargestellt, bei dem die piezoelektrischen Scheiben zu beiden Seiten ' der Metallunterlage 1 unter Zwischenfügung zweier Trennschicht en 4' und 4" angeordnet sind. Gemäß der : Anordnung der .Elektroden 3a', 3a" und 3b.¹·, 3b" und deren in diesem Beispiel angegebenen Verschaltung verlaufen die elektrischen Felder im wesentlichen parallel zur Polarisierung P von den Elektroden⁷3a zu den Elektroden 3b. . ■

.In Pig. 11 ist als Beispiel eine weitere Ausbildung _:, der Erfindung dargestellt. Auf einem metallischen Unterlagskörper 1 ist unter Zwischenfügung der in dieser Figur nicht dargestellten Trennschicht'ein keramisches piezoelektrisches stabförmiges Plättchen 2 und ■auf diesem eine Anzahl von elektrischen Belegungen' angeordnet. Gemäß Fig. 12₇ die einen Schnitt durch die * in Pig. IT angegebene Ausführungsform darstellt, sind die Belegungen 3a und 3b derart miteinander kontaktiert, daß bei, Anlegen von Spannung an die Kontaktpunkte 5a und 5b die elektrischen V/echselfelder in den einzelnen Abschnitten der zwischen den 'Elektroden, befindlichen ■■ Keramik je nach deren Phase parallel zur Polarisierung P bay/, äntiparallel dazu verlaufen.' Diese Aufteilung v/ird vorgenommen, um den durch die langgestreckte Form

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und den großen Abstand der Elektroden bei Fehlen der Zwischenelektrodenentsprechend der verminderten Kapazität und dem erhöhten elektrischen Y/iderstand erhöh- . ■;-.' ten Scheinwiderstand entgegenzuwirken«. Es hat sich nämlich geneigt, daß die elektrische Leitfähigkeit und/oder die Kapazität zwischen den sur Anregung dienenden Elektroden über die Keramik gegenüber der - leitfähigkeit keit und der Kapazität zwischen der Keramik und der Metallunterlage 1 so klein wird, daß ein den resultierenden Kopplungsfaktor des Schwingers verringernder paralleler elektrischer Scheinv/iderstand auftritt. Durch die Aufteilung der gesamten Keramikstrecke in einzelne parallelgeschaltete Abschnitte wird der Scheinwiderstand zwischen den Elektroden 3a und 3b wieder ao-weit verkleinert, daß der Scheinleitwert zwischen den Elektroden a und b einerseits und dem Metall andererseits wieder vernaehlässigbar klein ist.

Es können auch mehrere Ringe bei. einem kreisförmigen Schwinger etwa entsprechend, der Pig. 3 und 4 oder. 6 zur Aufteilung der Felder vorgesehen sein. >

5 Patentansprüche ' . · ' '.-..' 12 Figuren . - 12 -

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Claims

PA 62/2502 - 12 - Pat entansprüche

1. Schwinger, z.B. für elektromeehanische filter mit piezoelektrischer Anregung, mit einer metallischen Unterlage und einer oder mehreren mit dieser Unterlage mechanisch fest verbundenen, piezoelektrischen Scheiben, sowie mit Elektroden, die das elektrische Wechselfeld im Piezoelektrikum im wesentlichen in paralleler "bzw. antiparalleler Eichtung zur Vorpolarisierung festlegen, dadurch gekennzeichnet, daß die eine oder mehrere Scheiben (2,2',2^Μ) durch Je eine Isolierschicht (4,4'4") elektrisch von der metallischen Unterlage (1) getrennt sind und daß die Polarisationsrichtung (P) des Piezoelektrikums (2,2',2") im wesentlichen senkrecht zur !formalen der Ebene der Isolierschicht und im wesentlichen parallel zur Fortpflanzung sriehtung der mechanischen Spannungswelle (WR), die die vorgesehene Resonanzschwingung überwiegend bestimmt, gerichtet ist, und daß die Elektroden (3a,3b) auf dem Piezoelektrikum so angeordnet sind, daß die elektrischen Feldlinien (E.) einer an sie angelegten elektrischen Wechselspannung im Piezoelektrikum im wesentli-

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chen in einer Richtung (E*) senkrecht zur !formalen der Ebene der Isolierschicht (4,4H,ⁿ) und parallel zur Portpflanzungsriehtung der mechanischen Spannungswelle (WR), die die vorgesehene Resonanzschwingung überwiegend bestimmt, ausgerichtet sind und daß die spezifische elektrische Leitfähigkeit und die Dielektrizitätskonstante des Materials der Isolierschicht (4,4«,4"), bezogen auf die entsprechenden Größen des Piezoelektrikums (2,2· ,2'")» so klein bemessen sind, daß die angegebene Ausrichtung der elektrischen Feldlinien (E.) bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden eintritt.

2. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Glas als Material für die Isolierschicht verwendet ist.

3. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einer Metallunterlage (1)

" einer Isolierschicht und einer keramischen piezoelektrischen Scheibe (2) aufgebauter kreisplattenförmiger Schwinger vorgesehen ist, und daß auf der Scheibe (2) Elektroden in Form einer kreisförmigen Innenbelegung (3a) mit einem gegenüber dem Scheibendurchmesser kleinen Durchmesser

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und einer kreisförmigen Außenbelegung (3b) mit einem gegenüber dem Durchmesser der Innenbelegung großen Innendurchmesser angebracht sind (Fig.3).

4. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einem Metallstab (1) und einer oder mehreren Isolierschichten (4>4'>4") und einer oder mehreren keramischen piezoelektrischen Scheiben (2,2',2") aufgebauter, «tabförmiger Schwinger vorgesehen ist, und daß die Elektroden (3a,3b) in Streifenform quer zur Stabrichtung in zur Breite der Streifen großem Abstand voneinander auf der oder den keramischen Scheibe(n) angeordnet sind. (Pig. 7 bis;12).

5. Piezoelektrischer Schwinger nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Elektroden auf der oder den keramischen Scheibe(n) angeordnet ist, von denen jeweils die Geradzahligen und die Uhgeradzahligen miteinander kontaktiert sind. (Fig.11,12).

BAD ORIQINAL

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