DE1441630C - Piezoelektrischer Resonator - Google Patents

Description

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gungsmodus gestört wird. Eine Biegeschwingung be- scher Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher sitzt gegenüber einer Längsschwingung ferner den erläutert. ■
Vorteil, daß sie einfacher angeregt und auf rechterhalten Fig. 1· bis-3, 11 und 14 zeigen mögliche Ausfühwerden kann und auch stärker ist und vor allem die rungsformen für das ringförmige Schwingungselement Anregung bei niedrigeren Frequenzen erlaubt. Mit 5 eines erfindungsgemäßen Resonators;
einem erfindungsgemäßen Ringresonator können des- F i g. 4 bis 6, 12, 13 und 15 zeigen die elektrischen halb auch Filter für Niederfrequenz einfach und billig Ersatzschaltbilder bzw. mögliche Schaltungsbeispiele aufgebaut werden. Ein erfindungsgemäßer Resonator eines erfindungsgemäßen Resonators;
kann außerdem auf einfache Weise in einem breiten F i g. 7 bis 10 zeigen die mit einem erfindungsgemä-Frequenzband auf beliebige Resonanzfrequenzen ab- io ßen Resonator erzielbaren Dämpfungsyerläufe in Abgestimmt werden. Wenn wünschenswert, kann durch hängigkeit von der Frequenz;

geeignete Dimensionierung und Anbringung der Elek- F i g. 16 zeigt den Gesamtaufbau eines erfindungs-

troden der Resonator im wesentlichen frei von Neben- gemäßen Resonators.

resonanzen betrieben werden. Die erzielbare Band- F i g. 1 zeigt das dünne, flache, ringförmige kera-

breite liegt etwa in der Größenordnung von 1% der 15 mische Schwingungselement 10a eines piezoelektri-

Mittenfrequenz, und die Verluste sind minimal. Die sehen Resonators, das zwischen den Schenkeln 14 und

erreichbaren Filtereigenschaften machen es möglich, 16' einen Schlitz 12 aufweist. Auf beiden Stirnseiten

daß mehrere Ringresonatoren in Kaskade geschaltet des Elements 10a sind miteinander sich deckende in-

werden können, so daß die verschiedenartigsten nere kreisbogenförmige Elektroden 16 sowie äußere

Filterdurchlaßkurven eingestellt werden können. Ein 20 kreisbogenförmige Elektroden 18 aufgebracht. Diese

erfindungsgemäßer Ringresonator kann außerdem Elektroden können z. B. durch Einbrennen von Silber,

sehr einfach und billig in gedrungener Bauweise herge- durch einen chemischen Niederschlag oder durch ein

stellt werden. Lichtätzverfahren aufgebracht sein. An den Enden der

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfin- Elektroden 16 und 18 sind jeweils Anschlußdrähte 20

dungsgemäßen Ringresonators, vor allem bezüglich as und 22 befestigt.

seiner Weiterbildung als Vierpol-Filterelement, ergeben Das Element 10a besteht für große Bandbreiten bei-

sich aus den Unteransprüchen. spielsweise aus der nachfolgenden Bleititanat-Blei-

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schemati- zirkonat-Komposition:

Pb₀₁₉₅Sr₀₁O₅(Zr₀₁₅₃Ti₀₁₄₇)O₃ + 0,7 Gewichtsprozent Cr₂O₃ (I)

Diese Komposition I hat einen hohen elektromechanischen Kopplungsbeiwert und einen mäßigen mechanischen Ö-Faktor.

Für mittlere oder kleinere Bandbreiten kann z. B. nachfolgende Komposition verwendet werden:

Pb₁;,₉₅Mg₀,05(Zr₀,₄₅Ti₀,₅₅)O₃ + 0,7 Gewichtsprozent Cr₂O₃ (II)

Diese Komposition II besitzt einen mäßigen Kopp- tig mit einer Längenverringerung des piezoelektrischen

lungsbeiwert, jedoch einen höheren mechanischen 40 Materials zwischen den Elektroden 18 auf.

Ö-Faktor. Die Resonanzfrequenz/des Elements 10a ist direkt

Die Polarisation des zwischen den beiden Elektro- proportional zur Ringbreite w und umgekehrt pro-

denpaaren 16 und 18 liegenden keramischen Materials portional zum Quadrat des neutralen Ringdurch-

erfolgt durch Anlegen eines elektrischen Feldes in messers D_n. Es gilt:

Richtung der Dicke des Elements 10a, und zwar derart, 45 f=NwlD ²
daß das Material zwischen jedem Elektrodenpaar in

Richtung der Dicke des Elementes gleichsinnig pola- N ist eine Konstante, die eine Funktion der physi-

risiert wird. Dies kann durch Anlegen einer entspre- kaiischen Konstante des keramischen Materials ist.

chenden Polarisationsspannung an die 'beiden Elek- Diese Konstante kann durch Versuche bestimmt

trodenpaare erfolgen. 50 werden. Der neutrale Durchmesser D_n ist derjenige

Das Element 10a führt bei dieser Art der Polarisa- Durchmesser, an welchem die Spannung Null auftritt, tion und Anordnung der Elektroden Biegeschwingun- Er läßt sich mit Hilfe der Ringbreite w und des Außengen in der Ebene des Elementes aus. Diese Biegeschwin- durchmessers D des Ringes nach folgender Gleichung gungen können als öffnungs- und Schließbewegungen bestimmen:
des Schlitzes 12 bzw. als Schwingungen zweier frei 55 2 m»

tragender Träger betrachtet werden, wobei sich die D_n — d

Ringschenkel 14 und 16 in entgegengesetzten Richtun- j , (D-2w) V₈
gen bewegen. Im Gegensatz zu einem idealen doppelten j)
frei tragenden Träger, der nur einen einzigen Schwingungsknoten aufweisen würde, besitzt der geschlitzte 60 Die Resonanzfrequenz kann durch entsprechende ■Ring zwei Knotenpunkte, die nahe beieinander auf Wahl des Ringdurchmessers und der Ringbreite für beiden Seiten des durch den Schlitz 12 verlaufenden Elemente mit schmalem Schlitz beliebig gewählt wer-Ringdurchmessers, und zwar diametral gegenüber den. Durch Vergrößerung der Schlitzbreite, d. h. durch dem Schlitz, liegen. Die Biegeschwingungen des Verkürzung der Schenkel 14 und 16, kann die Reso-Elements 10a können auch mit der Wirkungsweise ei- 65 nanzfrequenz mindestens um das Sechsfache noch ernes Bimetallelementes verglichen werden. Es tritt höht werden. Ein Element 10a mit einem Außendurchnämlich eine Längenvergrößerung des piezoelektri- messer von etwa 15,2 mm und einem Innendurchschen Materials zwischen den Elektroden 16 gleichzei- messer von etwa 6,3 mm kann z. B. durch Änderung

der Schlitzbreite und des Innendurchmessers auf eine Frequenz zwischen 8 und 60 kHz abgestimmt werden. Es wurde auch festgestellt, daß die Schwingung beim Vergrößern der Schlitzbreite von einer gefalteten Biegeschwingung in eine einfache Biegeschwingung übergeht. Jedoch behalten die Schwingungsknoten während des gesamten Abstimmborganges annähernd ihre Lage bei, und das Schwingungsverhalten des Elements 10 a wird abgesehen von der Änderung seiner Resonanzfrequenz dureh die Änderung der Abmessungen im wesentlichen nicht beeinflußt.

Bei dem ringförmigen Schwingungselement 106 aus einem keramischen Material nach F i g. 2 sind Elektrodenpaare 40 und 42 zu beiden Seiten eines durch den Schlitz 12 verlaufenden Ringdurchmessers im Abstand voneinander angebracht. Das keramische Material ist zwischen den Elektrodenpaaren in der Richtung der Dicke des Ringes im Sinne der F i g. 3 gegensinnig polarisiert. Hierzu werden vor dem Aufbringen der Elektroden 40 und 42 die inneren und äußeren kreisbogenförmig gekrümmten Segmente 48 und 49 des Ringes aus keramischem Material in Richtung der Dicke des Ringes mit Hilfe geeigneter Polarisationselektroden und elektrischer Felder von entgegengesetzter Polarität entgegengesetzt polarisiert. Dann werden die Elektroden 40 und 42 aufgebracht, wobei jedoch die Temperatur, bei welcher das keramische Material entpolarisiert wird, nicht erreicht werden darf. Es eignen sich hierfür vor allem chemische Niederschlagsverfahren oder Lichtätzverfahren.

Auch dieses Element IQb nach F i g. 2 führt wieder Biegeschwingungen in der Ringebene aus, denn das innere Segment 48 des Ringes und das entgegengesetzt dazu polarisierte äußere Segment 49 des Ringes erleiden gleichzeitig eine Verkürzung bzw. eine Verlängerung.

F i g. 4 zeigt das Ersatzschaltbild der Elemente 10a bzw. lOo.Die Ersatzschaltung umfaßt einen abgestimmten Kreis mit einer Induktivität L₁, einer Kapazität C₁ und einem Widerstand U₁, weiche Größen die wirksame Masse, die reziproke Steifigkeit und die Dämpfung des resonanzfähigen mechanischen Systems repräsentieren. Die Kapazitäten C₂ und C₃ sind die statischen Kapazitäten der Elektroden. Die Kapazitäten C₄ und C₆ entsprechen den Streukapazitäten zwischen den Elektroden. In der nachstehenden Tabelle sind Näherungswerte für ein Element nach F i g. 1 und 2 mit einem Außendurchmesser von etwa 15,2 mm, einem Innendurchmesser von etwa 6,3 mm, einer Schlitzbreite von etwa 3,8 mm und einer Dicke von etwa 0,75 mm angegeben, und zwar für die obenerwähnten beiden Kompositionen I und II.

	Komposition II	Komposition I
Ll	50 Henry-	6 1 Henrv
Hl	6400 Ohm	4900 Ohm
Cl	3,5 Pikofarad	18 Pikofarad
C2	200 Pikofarad	298 Pikofarad
C3	180 Pikofarad	294 Pikofarad
C4undC5 ..	4,4 Pikofarad	7,2 Pikofarad
Mechanischer
Q- Faktor...	640 Pikofarad	190 Pikofarad

Wenn die Elemente 10a und \Qh gemäß den Schaltbildern nach F i g. 5 oder 6 als nicht abgeglichene Filter verwendet werden, haben diese Elemente einen Durchlaßbereich nahe der mechanischen Resonanz. Außerdem wurde festgestellt, daß die verteilte Kapazität in Verbindung mit dem mechanischen Kreis einen einzigen Dämpfungspol liefert, welcher je nach Phasenlage auf der einen oder anderen Seite des Durchlaßbereiches liegt. Dieser einzige Dämpfungspol kann durch Vertauschen der Masseanschlüsse der Elektrodenpaare von der einen Seite zur anderen Seite des Durchlaßbereiches verlegt werden. Wenn z. B. das

ίο Element 10a nach F i g. 1 in der aus F i g. 5 ersichtlichen Schaltung betrieben wird, tritt ein Dämpfungspol A nach F i g. 7 bei einer Frequenz oberhalb des Durchlaßbereiches auf. Wenn dagegen die Elektrodenpaare gemäß F i g. 6 geschaltet werden, ergibt sich ein Dämpfungspol B nach F i g. 7 bei einer Frequenz un-' terhalb des Durchlaßbereiches.

Für ein Element 1Oi gilt das gleiche in umgekehrter Weise. Schaltet man das Element Wb nach F i g. 2 in der Schaltung nach F i g. 5, so tritt ein Dämpfungspol

ao unterhalb des Durchlaßbereiches auf. Schaltet man dagegen dieses Element IQb in der Schaltung nach F i g. 6, so erhält man einen Dämpfungspol oberhalb des Durchlaßbereiches. Der Dämpfungsvirlauf dieses Elementes 10ό in der Schaltung nach F i g. 6 zeigt die

»5 Fig. 8.

Die Dämpfungskurve nach F i g. 9 (für das Element 10 a nach F i g. 1) und die Dämpfungskurve nach F i g. 10 (für das Element 106 nach F i g. 2) zeigen, daß die Resonatoren im wesentlichen nebenresonanzfrei sind. Weder die Ausführung nach F i g. 1 noch diejenige nach F i g. 2 zeigt Resonanzstellen unterhalb der Grundfrequenz. Nach F i g. 9 tritt die nächste Resonanzstelle des Resonators 10 a erst etwa beim 12fachen Wert der Grundfrequenz auf. Nach F i g. 10 tritt beim Element IQb eine weitere Resonanzstelle etwa beim 2,3fachen Wert der Grundfrequenz auf. Es wird angenommen, daß das Fehlen von weiteren Resonanzstellen bei dem Element 10a auf die besondere Elektrodenform nach F i g. 1 zurückzuführen ist und die symmetrische Anordnung der Elektroden 16 und 18 gegenüber den Schwingungsknoten des Elementes 10a dazu führt, daß unerwünschte Schwingungen unterdrückt werden.

Das Element IQb ist hinsichtlich seiner Konstruktion etwas anpassungsfähiger als das Element 10a. Es lassen sich z. B. größere Kapazitäten C₄ und C₅ zwischen den Elektroden und damit bessere Filtercharakteristiken erreichen.

Da die Elemente 10a und 10ό nur einen Dämpfungspol aufweisen, können auch mehrere Elemente in Kaskade geschaltet werden, so daß kombinierte Filter mit auf jeder Seite des Durchlaßbereiches liegenden Dämpfungspolen aufgebaut werden können.

Bei dem Element 10c nach Fig. 11 ist nur ein einziges Elektrodenpaar 50 mit nur zwei Anschlußdrähten 52 vorgesehen. Dieses Element 10 c ist besonders für Abzweigfilterschaltungen nach Fig. 12 geeignet. Das zugehörige Ersatzschaltbild zeigt Fig. 13. Das Element 10c ist wieder im Sinne der F i g. 3 gegen sinnig polarisiert.

Das Element 10a" nach F i g. 14 besitzt drei im Abstand voneinander angeordnete Elektroden 54, 56 und 58 auf der einen Stirnseite sowie eine einzige gemeinsame Elektrode 60 auf der anderen Seite. Ein Beispiel für die Beschallung eines solchen Elementes als Filter zeigt F i g. 15. Auch das Element IQd wird vor dem Anbringen der Elektroden im Sinne der F i g. 3 gegensinnig polarisiert. Durch diese Elektro-

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denanordnuiig nach Fig. 14 wird eine bessere Unterdrückung weiterer Resonanzstellen als bei einem Element 10b nach F i g. 2 erzielt'.

Die Schwingungselemente nach den Fig. 1, 2, Il und 14 werden vorzugsweise im Sinne des Ausführungsbeispieles nach F i g. 16 auf einem Sockel 24 und in einem Gehäuse 35 befestigt, wie dies in F i g. 16 für das Element 10a nach F i g. I dargestellt ist. Am Sockel 24 sind vier Stützstifte 26 befestigt, an welchen mittels der Anschlußdrähte 20 und 22 das Schwingungselement mit einem Schlitz nach unten aufgehängt ist. Die Zuleitungsdrähte 20 und 22 bestehen vorzugsweise aus

Phosphorbronze, und sie können in der dargestellten Weise eingerollt oder zu Schleifen geformt sein, damit das Element ungehindert seine Biegeschwingungen ausführen kann. Die Anschlußdrähte sind an den Elektroden im Bereich derSchwingun'gsknoten befestigt. Die Dämpfung und der mechanische Blindwiderstand der Anschlußdrähte wird hierdurch auf ein Minimum herabgesetzt, und eine mechanische Abstimmung der Unterstützung des Elementes ist nicht erforderlich. Zwischen dem Element 10a und dem Deckel 35 kann auch noch ein Schutzkörper 32 aus einem weichen gummiähnlichen Material vorgesehen sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (6)

1 2 laufenden Ringdurchmessers angeordnet ist und bei Patentansprüche: dem das piezoelektrische Material in dieser Ringhälfte in Richtung senkrecht zur Ringebene und in der gegen-

1. Zu Biegeschwingungen angeregter piezoelek- überliegenden elektrodenfreien Ringhälfte zusätzlich trischer Resonator aus einem das Schwingelement 5 noch in Umfangsrichtung des Ringes polarisiert ist bildenden flachen Ring, welcher von einem radialen (britische Patentschrift 799 891, F i g. 8). Beim Anlegen Schlitz unterbrochen ist und aus polarisiertem einer Wechselspannung an die Elektroden wird damit Keramikmaterial besteht und der im Bereich dia- das Material zwischen diesen Elektroden gleichmäßig metral gegenüber dem Schlitz auf seinen beiden über die gesamte Ringbreite ausgedehnt bzw. zusam-Flachseiten gegenüberliegende Elektroden trägt, io mengezogen, auch im Bereich des mittleren Ringdurchdadurch gekennzeichnet, daß das Material in an messers, so daß der Ring zu überwiegend Längsschwinsich bekannter Weise über die gesamte Ringbreite gungen angeregt wird.

in Richtung senkrecht zur Ringebene gleichge- Es ist auch schon ein Ringresonator dieser Art berichtet polarisiert ist und paarweise gegenüberlie- kannt (USA.-Patentschrift 2 812 452, Fig. 2, und gende Elektroden (16 und 18) jeweils nur einen Teil 15 USA.-Patentschrift 2 928 069, z. B. Fig. 44), bei dem der Ringbreite im Bereich des inneren und äußeren das piezoelektrische Material in radialer Richtung Ringrandes überdecken (F i g. 1). des Ringes polarisiert ist und bei dem auf der gekrümm-

2. Zu Biegeschwingungen angeregter piezoelek- ten Innenseite und der gekrümmten Außenseite des trischer Resonator mit einem das Schwingelement Ringes jeweils eine Elektrode angebracht ist. Auch bei bildenden flachen Ring, welcher von einem radialen 20 diesem Ringresonator wird beim Anlegen einer Wech-Schlitz unterbrochen ist und aus polarisiertem selspannung das Material zwischen den Elektroden Keramikmatrial besteht und der im Bereich diame- mehr oder weniger gleichmäßig zusammengezogen bzw. tral gegenüber dem Schlitz auf seinen beiden ausgedehnt, auch in der Mitte zwischen den beiden Flachseiten gegenüberliegende Elektroden trägt, Elektroden, und der Ring wird damit wiederum zu dadurch gekennzeichnet, daß das Material im Be- 25 überwiegend Längsschwingungen angeregt.

reich (48, 49) des inneren und äußeren Ringrandes Solche zu überwiegend Längsschwingungen angein Richtung senkrecht zur Ringebene gegensinnig regte Ringresonatoren besitzen eine relativ schwache polarisiert ist und die gegenüberliegenden Elektro- . Resonanz, sie können nicht leicht zu Schwingungen den (40, 42; 50; 54, 56, 58) die gesamte Ringbreite angeregt werden und auch nicht einfach mechanisch geüberdecken (F i g. 2, 11 und 14). 30 lagert werden, da das Material bei der Erregung in allen

3. Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Bereichen schwingt.

gekennzeichnet, daß die Elektroden symmetrisch Es ist bei einem Stabresonator an sich schon bekannt

zu dem durch den Schlitz (12) verlaufenden Ring- (USA.-Patentschrift 2 928 069, Fig. 1), zwei entgegen-

durchmesser angeordnet sind. gesetzt polarisierte piezoelektrische Materialstücke

4. Resonator nach Anspruch 2, dadurch gekenn- 35 vorzusehen und sowohl auf den Außenseiten als auch zeichnet, daß zu beiden Seiten des durch den zwischen diesen beiden Materialstücken jeweils Elek-Schlitz (12) verlaufenden Ringdurchmessers je- troden vorzusehen. Ein solcher geschichteter Stabweils ein Elektrodenpaar (40 bzw. 42) angeordnet resonator kann damit zu überwiegend Biegeschwinist (F i g. 2). gungen angeregt werden, da beide Materialstücke je-

5. Resonator nach Anspruch 2, dadurch ge- 40 weils entgegengesetzt piezoelektrisch erregt werden, kennzeichnet, daß auf der einen Flachseite drei Eine solche Anordnung für die Anregung von Biege-Elektroden (54,56,58) und auf der gegenüberliegen- schwingungen eines Stabresonators kann in dieser den Flachseite nur eine gemeinsame Elektrode (60) Form jedoch nicht ohne weiteres auf einen Ringangebracht sind (F i g. 14). resonator übertragen werden und die in der gleichen

6. Resonator nach Anspruch 1 oder 2 oder einem 45 Druckschrift offenbarten Ringresonatoren sind daher der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auch wieder wie oben beschrieben zu überwiegend die Haltedrähte (20, 22; 44, 46) an den Elektroden Längsschwingungen angeregt.

im Bereich der sich infolge der Biegeschwingungen Es ist Aufgabe der Erfindung, einen piezoelektrischen

des Ringes zu beiden Seiten des durch den Schlitz Ringresonator der eingangs erwähnten Art so weiter-

(12) verlaufenden Ringdurchmessers ausbildenden 50 zubilden und zu verbessern, daß sein geschlitzter

Schwingungsknoten befestigt sind. Ring zu Biegeschwingungen angeregt werden kann.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem piezoelektrischen Ringresonator der eingangs erwähnten

Art erfindungsgemäß jeweils durch eine der beiden

55 Anordnungen nach Anspruch 1 oder 2 gelöst.

Bei einem erfindungsgemäßen Ringresonator wird durch beide Möglichkeiten jeweils das Material im

Die Erfindung bezieht sich auf einen zu Biege- radial inneren bzw. äußeren Bereich der Ringbreite schwingungen angeregten piezoelektrischen Resonator jeweils im entgegengesetzten Sinne piezoelektrisch eraus einem das Schwingelement bildenden flachen Ring, 60 regt, d. h., der Ring wird entweder im radial innenliewelcher, von einem radialen Schlitz unterbrochen ist genden Bereich ausgedehnt und im radial außenliegen- und aus polarisiertem Keramikmaterial besteht und den Bereich zusammengezogen oder umgekehrt, und es der im Bereich diametral gegenüber dem Schlitz auf wird damit eine reine Biegeschwingung erzeugt, so daß seinen beiden Flachseiten gegenüberliegende Elektro- im Bereich des mittleren Ringdurchmessers in einer den trägt. 65 neutralen Zone symmetrisch zu dem durch den Schlitz Es ist ein piezoelektrischer Ringresonator dieser Art verlaufenden Ringdurchmesser zwei Schwingungsbekannt, bei dem ein einziges Elektrodenpaar auf den knoten entstehen, an welchen der Ring einfach be-Flachseiten der einen Hälfte des durch den Schlitz ver- festigt werden kann, ohne daß hierdurch der Schwin-