DE1441095B2

DE1441095B2 - Piezoelektrisch anregbarer Schwinger

Info

Publication number: DE1441095B2
Application number: DE19621441095
Authority: DE
Inventors: Hans Dietrich Dipl.-Phys. 8024 Deisenhofen Bartels
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1962-06-27
Filing date: 1962-06-27
Publication date: 1970-02-26
Also published as: GB1041263A; US3252017A; DE1441095A1; NL294583A

Description

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Die Erfindung betrifft einen Schwinger mit piezo- die Polarisationsrichtung des Piezoelektrikums im elektrischer Anregung, z. B. für elektromechanische . wesentlichen senkrecht zur Normalen der Ebene der Filter, mit einem metallischen Körper und einer oder Isolierschicht und im wesentlichen parallel zur Fortmehreren mit diesem Körper mechanisch fest verbun- pflanzungsrichtung der Welle der mechanischen Spandenen Scheiben aus piezoelektrischem Material, so- 5 nung, die die vorgesehene Resonanzschwingung über- j wie mit Elektroden, die das elektrische Wechselfeld wiegend bestimmt, gerichtet ist und daß die Elek- ! im Piezoelektrikum im wesentlichen in paralleler troden auf dem Piezoelektrikum so angeordnet sind, j bzw. antiparalleler Richtung zur Vorpolarisierung daß die elektrischen Feldlinien einer an sie ange- ! festlegen. legten elektrischen Wechselspannung im Piezoelek-

Derartige piezoelektrisch anzutreibende Schwinger io trikum im wesentlichen in einer Richtung senkrecht ; sind bereits z. B. aus »Bulletin of the Yamagata Uni- zur Normalen der Ebene der Isolierschicht und parversity», Ausgabe »Engineering«, Vol. 5, Nr. 2, S. 335 allel zur Fortpflanzungsrichtung der Welle der mechabis 372 (März 1959), bekannt. Sie bestehen aus einem nischen Spannung, die die vorgesehene Resonanzmetallischen Körper, auf dem vorzugsweise in der schwingung überwiegend bestimmt, ausgerichtet sind, Nähe des oder der Schwingungsknoten ein piezoelek- 15 und daß die spezifische elektrische Leitfähigkeit und trisch anregbares keramisches Plättchen befestigt ist. die Dielektrizitätskonstante des Materials der Isolier-Auf dem piezoelektrischen Plättchen befindet sich schicht, bezogen auf die entsprechenden Größen des j weiterhin eine elektrisch leitfähige Belegung. Das Piezoelektrikums, so klein bemessen sind, daß die Plättchen ist in Richtung von der elektrisch leit- angegebene Ausrichtung der elektrischen Feldlinien fähigen Belegung zum Metallkörper vorpolarisiert. 20 bei Anlegen einer elektrischen Spannung an die Zur Schwingungserzeugung wird eine elektrische Elektroden eintritt. i Wechselspannung zwischen dem Metallkörper und ' Dadurch wird überraschenderweise ein Kopplungs- ^: der elektrisch leitfähigen Belegung angelegt, so daß faktorquadrat, d. h. eine Energieumwandlung, von sich elektrische Wechselfelder zwischen diesen Teilen einem Mehrfachen, z. B. Zehnfachen, -desjenigen erinnerhalb der piezoelektrischen Scheibe auszubilden 25 reicht, das bei den seither verwendeten piezoelekvermögen. Auf diese Weise werden mechanische trisch anzuregenden Schwingern mit metallischem Schwingungen dieses piezoelektrisch anzutreibenden Körper erreicht wurde. Durch Ausnutzung des grö-Schwingers hervorgerufen. ßeren Kopplungsfaktors wird ein günstigeres Ver-1

Bei diesen bekannten piezoelektrisch anregbaren hältnis zwischen Schein- und Wirkleistung erzielt, j

Schwingern, bei denen Polarisierung und elektrisches 30 Wenn der Kopplungsfaktor gleich groß bleiben kann,^;

Feld parallel bzw. antiparallel zueinander und par- so kann der Anteil der Keramik am ganzen Schwin-;

allel zur Normalen der Ebene der Metallunterlage ger vermindert werden, was z. B. Vorteile bezüglich:

sind, verläuft die Fortpflanzungsrichtung der ge- der Konstanz der zusammengesetzten Schwinger

wünschten Welle der mechanischen Spannung, z.B. bringt. \

der Dehnungswelle, die die Resonanzschwingung — 35 Es ist zwar aus der britischen Patentschrift 799 891, j

ζ. B. die Längs-, Radial- oder auch die Biegungs- insbesondere Fig. 7, und der USA.-Patentschrift|

Schwingungen — überwiegend, d. h. neben dem unter- 2 953 755 bekannt, bei einem Schwinger aus piezo-

geordneten Einfluß der Querkontraktion (Poisson- elektrischem Material, z. B. in Scheibenform, wenig-

effekt) bestimmt, im wesentlichen senkrecht zur PoIa- stens in einem Teil des Schwingers parallel zur

risierungsrichtung. Handelt es sich z. B. um einen 40 Scheibenfläche gerichtete Polarisation und Anregung

kreisförmigen Schwinger entsprechend den F i g. 1 vorzusehen. Es handelt sich dort um piezoelek-j

und 2, dann ist die Fortpflanzungsrichtung dieser irische Übertrager zur Transformation von elektri-j

mechanischen Welle des kreisförmigen Schwingele- sehen Wellenwiderständen. Bei diesem ist kein:

mentes radial ausgerichtet. Sie steht damit senkrecht Metallkörper vorgesehen, der entscheidend an der!

auf der Polarisierungs- und elektrischen Feldrichtung 45 Schwingung beteiligt wäre, so daß dort die dem;

in der piezoelektrischen Scheibe. Gegenstand der Erfindung zugrunde liegende Pro-j

Der Kopplungsfaktor k eines piezoelektrischen blematik fremd ist. j

Schwingers ist definiert als die Wurzel aus der mecha- Als niedrig dielekrische, isolierende Trennschicht! nisch abgegebenen Energie zur elektrisch aufgenom- wird vorzugsweise eine dünne Glasschicht verwendet,

menen. Die piezoelektrische Konstante d ist das Ver- 5° Diese Glasschicht kann z. B. auf der Metallunterlage! hältnis zwischen der relativen Längen- bzw. Dicken- aufgeklebt sein, oder es wird diese Glasschicht direkt;

änderung und dem elektrischen Feld: auf der Metallunterlage aufgetragen. Die isolierende;

^ ι Trennschicht mit einer gegenüber dem Piezoelek-j

trikum niedrigen Dielektrizitätskonstante wirkt erj

j _ ^ 55 findungswesentlich so, daß die elektrischen FeIdJ

E linien zwischen den entsprechend auf den piezo

. elektrischen Scheiben angeordneten Elektroden im:

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, den Kopplungs- Piezoelektrikum im wesentlichen in Fortpflanzungs^J

faktor zu vergrößern. Durch diese Kopplungsfaktor- richtung der mechanischen Welle verlaufen können.!

Vergrößerung ist es beispielsweise möglich, die Band- 60 Würde diese Isolierschicht fehlen, dann nähmen die

breite bei Filtern, die aus derartigen piezoelektrischen , elektrischen Feldlinien entsprechend dem geringsten

Schwingern aufgebaut sind, zu vergrößern, und zwar elektrischen Widerstand einen Verlauf von einer

bei gleichbleibend großem piezoelektrischem Körper. Elektrode auf kürzestem Wege über das Piezo-¹

Diese Aufgabe wird durch einen Schwinger, wie er elektrikum zum Metallkörper und von diesem aui

oben umrissen ist, gelöst, der erfindungsgemäß da- 65 kürzestem Wege zurück über das Piezoelektrikum

durch gekennzeichnet ist, daß die eine oder die meh- zur anderen Elektrode. Dabei sind die elektrischen

reren Scheiben durch je eine Isolierschicht elektrisch Felder im Piezoelektrikum nicht mehr im Sinne dei

von dem metallischen Körper getrennt sind und daß Erfindung parallel zur Fortpflanzungsrichtung dei

besagten mechanischen Welle, sondern im wesent- In Fig. 4 ist ein Schnitt durch den in Fig. 3

liehen senkrecht dazu ausgerichtet, so daß der erfin- dargestellten erfindungsgemäßen piezoelektrischen dungsgemäße Vorteil — Vergrößerung des Kopp- Schwinger angegeben. Daraus ist ersichtlich, daß die lungsfaktors — nicht oder nur in unwesentlichem isolierende Trennschicht 4 eine Kontaktgabe zwischen Maße erreicht werden kann. Wird als Trennschicht ; 5 der Metallunterlage 1 und der piezoelektrischen z. B. Glas verwendet, dann ist die Dielektrizitäts- Scheibe 2 verhindert. Die Polarisierung P ist radial konstante dieser Schicht von s = 5 um mehr als vom Zentrum der Kreisscheibe nach der Peripherie, zwei Zehnerpotenzen kleiner als die Dielektrizitäts- d. h. parallel bzw. antiparallel zur Wellenfortpflankonstante eines Piezoelektrikums aus Bariumtitanat Zungsrichtung der mechanischen Welle WR, ausgevon etwa ε = 2000. Auch die elektrische Leitfähig- io bildet. Ebenso verläuft das elektrische Feld E_A im keit von Glas ist außerordentlich gering. Ist die elek- wesentlichen parallel bzw. antiparallel zur Polarisietrische Leitfähigkeit der Trennschicht zu hoch, dann rung gemäß dem in F i g. 5 dargestellten Ausschnitt: !kann durch Zusätze die elektrische Leitfähigkeit des aus Fig. 4.

Piezoelektrikums erhöht werden. In der F i g. 6 ist ein erfindungsgemäßer Stabbiege-

. Aus der deutschen Patentschrift 885 413 ist es 15 schwinger dargestellt. Auf einer stabförmigen metalbekannt, kleinere piezoelektrische Körper, insbeson- lischen Platte 1 ist unter Zwischenfügen einer erfindere solche aus Quarz, durch Glaslot mechanisch dungsgemäßen Trennschicht 4 ein keramisches piezofest miteinander zu verbinden, um dadurch einen für elektrisches Plättchen 2 befestigt. ■:

den jeweiligen Verwendungsfall noch ausreichend An den Enden dieses piezoelektrischen Plättchens

großen Körper zu erhalten. Die für den Gegenstand ao sind zwei elektrische Belegungen 3 α und 3 b als Elekder Erfindung erforderlichen piezoelektrischen Körper troden angeordnet. Bei Anlegen von Wechselspanstehen dagegen immer in genügender Größe zur Ver- nung an die Elektroden 3 a und 3ö bilden sich elekfügung, so daß schon von der Aufgabenstellung her irische Felder zwischen diesen Elektroden im Piezokeine Beziehung zu diesem Stand der Technik besteht elekrikum aus, die bei Vorpolarisierung in etwa par- und eine Anwendung des dort genannten Einzel- 25 alleler bzw antiparalleler Richtung zu Schwingungen merkmals beim Gegenstand der Erfindung nicht Anlaß geben. Die Fortpflanzungsrichtung der mechanahegelegt ist. nischen Welle WR ist parallel bzw. antiparallel zur

In den Fig. 1 und 2 sind bereits bekannte piezo- Richtung der Polarisierung und der elektrischen Feielektrische Schwinger.und in den Fig. 3 bis 11 Bei- der gerichtet. In Fig. 7 ist ein Schnitt durch den in spiele erfindungsgemäßer piezoelektrischer Schwinger 30 F i g. 6 dargestellten erfindungsgemäßen Schwinger dargestellt. Aus diesen Erfindungsbeispielen gehen angegeben. Die Trennschicht 4 verhindert eine empjweitere Erfindungsmerkmale hervor. findliche Ablenkung der elektrischen Felder in Rich-

I In F i g. 1 ist ein kreisförmiger, piezoelektrisch an- tung zur metallischen Platte 1. regbarer Schwinger aus einer metallischen Platte 1 In Fig. 8 ist ein weiteres Beispiel eines erfindungs-

und einer damit flächenhaft verbundenen kreisför- 35 gemäßen piezoelektrischen Schwingers dargestellt, tnigen piezoelektrischen Scheibe 2 sowie einer darauf bei dem zwei piezoelektrische Plättchen 2' und 2" \ üiedergeschlagenen, elektrisch leitfähigen Belegung 3 auf einem stabförmigen Metallplättchen 1 unter !dargestellt. Die Metallplatte kann bei dieser Anord- Zwischenlage von erfindungsgemäßen Trennschich-I lung gleichzeitig als Elektrode dienen. Bei Anlegen ten 4' und 4" angeordnet sind. Am oberen Ende des Isiner elektrischen Wechselspannung zwischen die 49 Plättchens 2'ist eine elektrische Belegung 3 α und am j VTetallplatte 1 und die elektrische Belegung 3 und unteren Ende des anderen Plättchens 2" eine andere /orpolarisierung der piezoelektrischen Scheibe in Belegung 3b' aufgetragen. Weitere elektrische Belichtung von der Belegung zur Metallscheibe oder legungen 3 c verbinden beide piezoelektrische Plättmgekehrt vermag dieses Element Schwingungen aus- chen über die Metallplatte 1 galvanisch miteinander, uführen, wobei die Fortpflanzungsrichtung der 45 Die elektrischen Felder verlaufen im wesentlichen mechanischen Spannungswelle WR, wie in den F i g. 1 parallel bzw. '.antiparallel zu der Polarisationsrichnd 2 dargestellt, radial vom Mittelpunkt der Scheibe tung P, und auch die Fortpflanzungsrichtung der ach außen, also senkrecht zur Polarisationsrichtung mechanischen Welle entspricht diesem Verlauf, md elektrischen Feldrichtung verläuft. : In Fig. 9 ist ein erfindungsgemäßer piezoelek-

In F i g. 2 ist ein Schnitt des in F i g. 1 dargestellten 5° trischer Schwinger mit zwei pizoelektrischen Schei-Uements gezeigt. Die Richtung der Polarisierung ist ben2' und 2" und einer metallischen Platte 1 dargeit P und die des anregenden elektrischen Feldes stellt, bei dem die piezoelektrischen Scheiben zu beiit mit E_A angegeben. den Seiten der Metallplatte 1 unter Zwischenfügung

In Fig. 3 ist ein erfindungsgemäß ausgebildetes zweier Trennschichten4' und 4" angeordnet sind.

lchwingelement mit piezoelektrischer Anregung dar- 55 Gemäß der Anordnung der Elektroden 3 a', 3 a" und estellt. Auch hier ist eine piezoelektrische Scheibe 2 3 b', 3 b" und deren in diesem Beispiel angegebenen uf einer Metallplatte 1 aus Thermelaststahl ange- Verschaltung verlaufen die elektrischen Felder im ordnet. Gemäß einem Merkmal der Erfindung be- wesentlichen parallel zur Polarisierung P von den. ndet sich zwischen der keramischen Scheibe 2 und Elektroden 3 α zu den Elektroden 3 b. ler metallischen Platte 1 eine niedrig dielektrische 60 In F i g. 10 ist als Beispiel eine weitere Ausbildung nd gering elektrisch leitfähige Trennschicht 4, z. B. der Erfindung dargestellt. Auf einem metallischen us Glas. Die Elektroden sind gemäß einem weiteren Körper 1 ist unter Zwischenfügung der in dieser lerkmal der Erfindung in Form einer kreisförmigen Figur nicht dargestellten Trennschicht ein kerailektrode 3 α im Zentrum der Kreisscheibe und einer misches piezoelektrisches stabförmiges Plättchen 2 ngförmigen Elektrode 3 6 an der Peripherie der in 65 und auf diesem eine Anzahl von elektrischen BeIeiesem Fall kreisförmigen piezoelektrischen Scheibe gungen angeordnet. Gemäß Fig. 11, die einen ngeordnet. Die Fortpflanzungsrichtung der mecha- Schnitt durch die in Fig. 10 angegebene Ausischen Welle Wi? ist ebenfalls radial ausgeprägt. führungsform darstellt, sind die Belegungen 3 a und

3 b derart miteinander kontaktiert, daß bei Anlegen von Spannung an die Kontaktpunkte 5 α und 5 b die elektrischen Wechselfelder in den einzelnen Abschnitten der zwischen den Elektroden befindlichen Keramik je nach deren Phase parallel zur PolarisierungP bzw. antiparallel dazu verlaufen. Diese Aufteilung wird vorgenommen, um dem durch die langgestreckte Form und den großen Abstand der Elektroden bei Fehlen der Zwischenelektroden entsprechend der verminderten Kapazität und dem erhöhten elektrischen Widerstand erhöhten Scheinwiderstand entgegenzuwirken. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die elektrische Leitfähigkeit und/oder die Kapazität zwischen den zur Anregung dienenden Elektroden über die Keramik gegenüber der Leitfähigkeit und der Kapazität zwischen der Keramik- und der Metallplatte 1 so klein wird, daß ein den resultierenden Kopplungsfaktor des Schwingers verringernder paralleler elektrischer Scheinwiderstand auftritt. Durch die Aufteilung der gesamten Keramikstrecke in einzelne parallgeschaltete Abschnitte wird der Scheinwiderstand zwischen den Elektroden 3 α und 3 b wieder so weit verkleinert, daß der Scheinleitwert zwischen den Elektroden α und b einerseits und dem Metall andererseits wieder vernachlässigbar klein ist.

Es können auch mehrere Ringe bei einem kreisförmigen Schwinger etwa entsprechend der F i g. 3 und 4 zur Aufteilung der Felder vorgesehen sein.

Claims

30 Patentansprüche:

1. Schwinger mit piezoelektrischer Anregung, z. B. für elektromechanische Filter, mit einem metallischen Körper und einer oder mehreren mit diesem Körper mechanisch fest verbundenen Scheiben aus piezoelektrischem Material sowie mit Elektroden, die das elektrische Wechselfeld im Piezoelektrikum im wesentlichen in paralleler Richtung zur Vorpolarisierung festlegen, dadurch gekennzeichnet, daß die eine oder die mehreren Scheiben (2, 2', 2") durch je eine Isolierschicht (4, 4', 4") elektrisch von dem metallischen Körper (1) getrennt sind und daß die Polarisationsrichtung (P) des Piezoelektrikums (2, 2', 2") im wesentlichen senkrecht zur Normalen der Ebene der Isolierschicht und im wesentlichen parallel zur Fortpflanzungsrichtung der Welle der mechanischen Spannung (WR), die die vorgesehene Resonanzschwingung überwiegend bestimmt, gerichtet ist, und daß die Elektroden (3 a, 3 b) auf dem Piezoelektrikum so angeordnet sind, daß die elektrischen Feldlinien (E _A) einer an sie angelegten elektrischen Wechselspannung im Piezoelektrikum im wesentlichen in einer Richtung (E_A) senkrecht zur Normalen der Ebene der Isolierschicht (4, 4', 4") und parallel zur Fortpflanzungsrichtung der Welle der mechanischen Spannung (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_A) 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 einem Körper (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 (3 a) mit einem "gegenüber dem Scheibendurchmesser kleinen Durchmesser und einer kreisförmigen Außenbelegung (3 b) 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 stabförmigen Metallkörper (1) und einer oder mehreren Isolierschichten (4, 4', 4") und einer oder mehreren keramischen piezoelektrischen Scheiben (2, 2', 2") aufgebauter Schwinger vorgesehen ist und daß die Elektroden (3 a, 3 b) in Streifenform quer zur Stabrichtung in zur Breite der Streifen großem Abstand voneinander auf der oder den keramischen Scheibe(n) angeordnet sind (F i g. 6 bis 11).

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 Ungeradzahligen miteinander kontaktiert sind (Fig. 10, 11).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen