DE1541491B2

DE1541491B2 - Piezoelektrischer keramikresonator

Info

Publication number: DE1541491B2
Application number: DE19661541491
Authority: DE
Inventors: Takashi Ikeda; Ishibashi Michio Suita; Nakajima Yasuo Osaka; Nagata (Japan)
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1965-10-26
Filing date: 1966-10-25
Publication date: 1973-03-22
Also published as: DE1541491C3; US4041335A; NL6614730A; DE1541491A1; GB1135414A; FR1515962A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Keramikresonator aus einer dünnen flachen Platte eines piezoelektrischen Keramikmaterials mit parallelen ebenen Hauptflächen, die in einer Richtung polarisiert ist und deren Dicke so gewählt ist, daß sie Dickenscherschwingungen auf einer bestimmten Frequenz über 1 MHz ausführt, wobei an den ebenen Hauptflächen Elektroden und an der Umfangsfläche der flachen Platte schwingungsdämpfende Mittel angebracht sind.

Piezoelektrische Keramikresonatoren, die Dickenschwingungen ausführen, werden vorzugsweise in dem Frequenzband oberhalb von 1 Megahertz angewendet. Es geschieht dies aus der Überlegung heraus, daß sie einerseits Abmessungen haben, die in der Praxis leicht zu verwirklichen sind, und daß andererseits der elektrische Koppelungsfaktor bei der Dickenschwingung größer ist als bei der Querschwingung. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß keramische Dickenschwinger im allgemeinen dazu neigen, viele unerwünschte Resonanzen zu zeigen.

In der Zeitschrift »Proceedings Nat. Elec. Conf.«, Bd. 17 (1961), S. 514, haben D. R. Curran und andere über das sogenannte »Uni-Wafer Filter« berichtet. Dieser Uni-Wafer-Resonator (Einscheibenresonator) stellt auch schon hinsichtlich der unerwünschten Resonanzfrequenzen und hinsichtlich der Hochfrequenz-Charakteristiken eine erhebliche Verbesserung dar.

Die USA.-Patentschriften 3 020424 und 3 363 119 sowie die britische Patentschrift 914 058 lehren, daß sich unerwünschte Resonanzen vermeiden lassen, wenn man die Elektroden des Dickenscherschwingungen ausführenden piezoelektrischen Resonators teilweise begrenzt.

Eine Schwierigkeit liegt bei den Resonatoren nach

diesen Veröffentlichungen darin, daß der Resonator

aus einer piezoelektrischen Platte bestehen muß, die gegenüber den Elektroden verhältnimäßig groß ist.

Weiterhin müssen Form und Dicke der Elektroden bei der Herstellung sehr präzise eingehalten werden.

Die britischen Patentschriften 414 764 und

833 930 lehren, daß sich Störresonanzen durch mit einem Metallband befestigten Schaumgummi oder einem Plastikfilm beseitigen lassen. Bei derartigen

ίο Anordnungen besteht die schwingungsdämpfende Vorrichtung jedoch aus dem schwingungsabsorbierenden Körper und dessen Halterung, wobei letztere bezüglich des Befestigungsdrucks sehr genau justiert werden muß, um die unerwünschten Resonanzen zu beseitigen.

Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen piezoelektrischen Keramikresonator zu schaffen, an dessen Kante ein Gummiring angebracht ist, der als Schwingungsdämpfer wirkt, um die unerwünschten Resonanzen auf einfache Weise zu eliminieren.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Polarisierungsrichtung (P) mit einem Winkel von 0 bis 60° bezüglich der Hauptebenen der Platte gewählt wird und die Dämpfungsvorrichtung aus einem Gummiring einer Härte von 20 bis 70 Einheiten der Shore-A-Skala besteht, der unter Spannung auf die Kante der Platte aufgebracht wird, um unerwünschte Resonanzen zu unterdrücken.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung besteht der piezoelektrische Keramikresonator aus einer piezoelektrischen Keramikscheibe mit einem Verhältnis von Durchmesser zu Dicke von 6:1 zu 20:1. Bei diesem Resonator ist vorteilhaft, daß unerwünschte Resonanzen sich ohne Beeinträchtigung der Dickenscher-Grundschwingung unterdrücken lassen. In der Zeichnung ist

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung, teilweise im Schnitt, eines piezoelektrischen keramischen Resonators nach der Erfindung,

F i g. 2 eine graphische Darstellung des Frequenzganges verschiedener Resonatoren nach der Erfindung,

F i g. 3 eine graphische Darstellung des Frequenzganges von Resonatoren nach der Erfindung ohne Schwingungsdämpfung.

In F i g. 1 ist der piezoelektrische keramische Resonator nach der Erfindung mit 10 bezeichnet. Sein wesentlichster Bestandteil ist eine dünne ebene Platte 12 aus gleichförmig polarisiertem, piezoelektrischem keramischem Material. Aus Gründen der leichteren fabrikatorischen Herstellung, aber auch aus Gründen einer besonders guten Wirkung hat die Platte 12 vorzugsweise die Form einer Scheibe, wie dies F i g. 1 zeigt. Diese spezielle Form der Platte ist nur beispielsweise gewählt worden, die Platte kann auch andere geometrische Formen haben, also beispielsweise die Form eines Vielecks.
Die dünne ebene Platte 12 besteht aus irgendeinem piezoelektrischen keramischen Material, beispielsweise aus einer festen Lösung aus Bleititanat und Bleizirkonat in ganz bestimmten Mol Verhältnissen oder deren Modifikationen in Kombination mit bestimmten Zuschlagstoffen.

Wie Fig. 1 zeigt, sind den größeren Flächen der flachen Platte 12 Arbeitselektroden 14 und 16 stromleitend zugeordnet, über welche elektrische Signalspannungen auf die flache Platte gegeben werden

können. Das in diese Figur eingetragene Koordinatensystem X-Z dient zur Erläuterung der Polarisationsrichtung der flachen Platte 12. Die .AT-Achse fällt mit der axialen Richtung bzw. Dicke der flachen Platte 12 zusammen. Der Pfeil P bezeichnet die Polarisationsrichtung, die durch einen Winkel Φ gegen die Z-Achse begrenzt ist. Die flache Platte ist über ihren gesamten ebenen Querschnitt gleichförmig polarisiert. Die Elektroden können auf irgendeine herkömmliche Weise, beispielsweise durch stromloses Plattieren mit einem geeigneten stromleitenden Material, hergestellt sein. Benutzt man hierzu Kupfer, kann man gleichförmige und dünne Elektroden mit einer Dicke von weniger als 1 Mikron herstellen. Die Umfangsflächen der flachen Platte 12 stehen in elastischer Verbindung mit einem Dämpfungsring 18 aus Kautschuk. Der Kautschukring 18 ist so an der flachen Platte befestigt, daß diese mit ihren Umfangsflächen von dem Kautschukring 18 elastisch gehalten wird, dessen Innendurchmesser kleiner ist als der Durchmesser der flachen Platte 12.

Es ist erforderlich, daß das Material für die Kautschukdämpfungsvorrichtung eine Härte von etwa 20 bis 70 Einheiten der Shore-A-Skala hat. Geeignete Kautschukmaterialien sind natürlicher Kautschuk, synthetischer Kautschuk und an sich allgemein bekannte Elektromere. Der neuartige Dämpfungseffekt ist beispielsweise zu erzielen, wenn man den handelsüblichen »Butylkautschuk« verwendet, dessen Härte 35 Einheiten in der Shore-A-Skala beträgt. Insbesondere zeigt die Literatur, daß auch noch viele andere Kautschukstoffe zur Verfügung stehen, siehe beispielsweise die Zeitschrift »Kogyo Zairyo« (Industrial Materials), Bd. 13, Nr. 5, 1965, herausgegeben von Nikkan Kogyo Shinbunsha in Japan.

Der neue piezoelektrische keramische Resonator nach der Erfindung führt Dickenscherschwingungen aus. Die Grundformel für die Resonanzfrequenz der Dickenscherschwingungen ist:

(i)

In dieser Gleichung ist:

/₀ = die Grundresonanzfrequenz der Dickenscherschwingung,

T — die Dicke der piezoelektrischen keramischen Platte,

μ = der Schubmodul des piezoelektrischen keramischen Materials,

Q = die Dichte des piezoelektrischen keramischen Materials und

π — die Kreiszahl.

Aus praktischen Erwägungen heraus kann ohne weiteres angenommen werden, daß μ sich in Abhängigkeit von dem Polarisationswinkel Φ ganz wenig ändert.

Nach der Gleichung (1) ist es möglich, die Dicke T so zu wählen, daß man eine ganz bestimmte Frequenz erhält.

Die Antiresonanzfrequenz des Resonators ist durch folgende Gleichung gegeben:

J_\Va
ρ

In dieser Gleichung ist:

/₀ = die Grundresonanzfrequenz nach der Dicken-Schub-Methode,

^oo ⁼ die Antiresonanzfrequenz nach der Dicken-Schub-Methode und

ρ = das Kapazitätsverhältnis des piezoelektrischen keramischen Resonators.

Der Betrag des Kapazitätsverhältnisses ρ ist eine Funktion des Polarisationswinkels Φ.

Die elektrische Kapazität des Resonators ist durch folgende Gleichung gegeben:

In dieser Gleichung ist:

C₀ = die elektrische Kapazität zwischen den Elektroden des piezoelektrischen keramischen Resonators,

ε = die Dielektrizitätskonstante des piezoelektrischen keramischen Materials,
5 = die Fläche innerhalb der Umfangskontur des piezoelektrischen keramischen Resonators und

T = die Dicke der piezoelektrischen keramischen Platte.

Mit Hilfe der Gleichung (3) kann die Fläche S für eine ganz bestimmte gewünschte elektrische Impedanz ohne weiteres ermittelt werden.

Die praktische Erfahrung hat gelehrt, daß sehr viele unerwünschte Resonanzschwingungen auf piezoelektrische Weise in unmittelbarer Nähe der Frequenzen /₀ und /₀₀ in Abhängigkeit von den Grenzbedingungen der Umfangsabmessungen hervorgerufen werden.

Erfindungsgemäß können die unerwünschten Resonanzschwingungen mit Hilfe der Kautschukdämpfung 18 in Fig. 1 unterdrückt werden. Eine exakte theoretische Analyse der Schwingungsunterdrückung ist jedoch immer noch äußerst schwierig. Man kann sie beispielsweise folgendermaßen erklären. Die unerwünschten Schwingungen, die sich aus den Gegebenheiten der Umfangsgrenzen ergeben, zeigen eine starke Schwingungsenergie in der Nähe des Umf angsbereichs, der die piezoelektrische keramische Platte umgibt. Die Kautschukdämpfungsvorrichtung besitzt hervorragende Eigenschaften zur Unterdrückung mechanischer Schwingungen, wie dies allgemein bekannt ist. Infolgedessen unterdrückt der Kautschuk, der dem Umfang der Platte elastisch zugeordnet ist, tatsächlich und in wirksamster Weise die unerwünschte Resonanz von Schwingungen. Andererseits ist die Schwingungsenergie bei der Dickenscherschwingung auf den mittleren Teil der Platte konzentriert. Die Folge davon ist, daß die Schwingungseigenschaften bei der Dickenscherschwingung nur äußerst schwer durch die Kautschukdämpfungsvorrichtung beeinflußt werden können. In der Praxis hat sich gezeigt, daß diese »Unterdrückungswirkung« des Kautschuks auf die Dickenscherschwingung völlig vernachlässigt werden kann.

In den F i g. 2 und 3 der Zeichnung sind die Frequenzgänge piezoelektrischer Resonatoren dargestellt, die nach dem Meßverfahren aufgenommen worden sind, das in Proc. IRE, Bd. 45, S. 353 bis 358, März 1958, beschrieben ist. Die Fig. 2 zeigt

den Frequenzgang von Resonatoren mit einer Schwingungsdämpfungsvorrichtung nach der Erfindung mit dem Polarisationswinkel Φ als Parameter. Die Messungen wurden in dem Frequenzbereich in der Nähe der Resonanzfrequenz der Dickenscherschwingung durchgeführt. Die jeweilige Frequenz der maximalen Ausgangsspannung in Fig. 2 entspricht der nach Gleichung (1) vorbestimmten Resonanzfrequenz, während die Minimalwerte für die Ausgangsspannungen den Antiresonanzfrequenzen gemäß F i g. 2 entsprechen. Mit zunehmenden Wert für den Polarisationswinkel Φ wird die Breite des Frequenzbandes (/₀₀ bis /₀) schmaler, wie dies F i g. 2 zeigt.

Fig. 3 zeigt den Frequenzgang von keramischen Resonatoren mit der gleichen Keramikscheibe, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist, jedoch ohne Dämpfungsvorrichtung. Der Unterschied zwischen den Kurven in Fig. 2 und den Kurven in Fig. 3 ist also eindeutig darauf zurückzuführen, daß die Resonatoren entweder mit Kautschukdämpfungsvorrichtungen ausgerüstet sind oder nicht. Aus Fig. 3 sieht man besonders deutlich, daß viele Zacken schmaler oder breiter Form in dem Frequenzbereich von der Resonanzfrequenz bis zu der Antiresonanzfrequenz in Erscheinung treten.

Eindeutig zeigt ein Vergleich der Kurven in Fig. 2 mit den Kurven in Fig. 3, daß die Dämpfungsvorrichtung aus Kautschuk dazu dient, unerwünschte Resonanzschwingungen in dem Frequenzbereich zwischen Resonanzfrequenz und Antiresonanzfrequenz vollständig zu unterdrücken, ohne dabei den grundsätzlichen Frequenzgang der Dickenscherschwingung zu beeinflussen.

Die piezoelektrischen keramischen Scheiben, die in den Resonatoren für die Messungen gemäß Fig.2 und 3 verwendet wurden, hatten einen Durchmesser von etwa 2,36 mm und eine Dicke von 0,25 mm. Die geometrischen Abmessungen der Dämpfungsvorrichtung aus Kautschuk in den gemäß Fig. 2 gemessenen Resonatoren waren bei einem Butylkautschukring etwa 2,0 mm Innendurchmesser und 4,0 mm Außendurchmesser im freien Zustand und vor Aufbringung auf die keramische Platte. Die Härte des Butylkautschuks betrug in diesem Falle 35 Einheiten in der Shore-A-Skala.

Allgemein liegt die geeignete Härte der Dämpfungsvorrichtung aus Kautschuk im Bereich von 20 bis 70 Einheiten nach der Shore-A-Skala. Eine Härte von über 70 Einheiten bewirkt eine Unterdrückung auch der Dickenscherschwingungen. Besitzt die Dämpfungsvorrichtung dagegen eine Härte, die kleiner ist als 20 Einheiten, dann reichen die Dämpfungseigenschaften für eine Unterdrückung unerwünschter Resonanzschwingungen der obenerwähnten Art nicht aus. Außerdem hängt die Wirkung für die Schwingungsunterdrückung bei der Kautschukdämpfungsvorrichtung von den Betriebsfrequenzen ab. Unterhalb der Frequenz von 1 Megahertz tritt der Dämpfungseffekt überhaupt nicht auf. Wegen der Frequenzabhängigkeit der Kautschukdämpfungsvorrichtung muß die Dicke der keramischen Scheibe geringer sein als 1,5 mm, wenn man für die Resonatoren ein übliches piezoelektrisches keramisches Material benutzt.

Von erheblicher Bedeutung für die geometrischen Abmessungen eines Resonators nach der Erfindung ist das Verhältnis der Umfangsabmessung zu der Dicke der piezoelektrischen keramischen Platte. Im Falle einer piezoelektrischen keramischen Platte, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist, sollte das Verhältnis von Durchmesser zu Dicke der Platte in dem Bereich von 6 :1 bis 20 :1 liegen.

Ist dieses Verhältnis kleiner als 6:1, dann wird

ίο der Frequenzgang für die normale Dickenscherschwingung dermaßen stark durch die Gegebenheiten am Plattenumfang beeinflußt, daß die Dämpfungsvorrichtung aus Kautschuk eine starke Dämpfung der Grundschwingung Schub-Methode bewirkt. Ist das Verhältnis jedoch größer als 20:1, dann können sehr leicht starke höhere Harmonische der Dickenscherschwingungen auf piezoelektrischem Wege in dem Frequenzbereich von der Resonanzfrequenz bis zur Antiresonanzfrequenz erregt werden. Diese höheren Harmonischen sind viel zu stark, um mit Hilfe der Kautschukdämpfungsvorrichtung unterdrückt werden zu können.

Der Polarisationswinkel Φ spielt also beim Erfindungsgegenstand eine wichtige Rolle. Die piezoelektrische Ansprechempfindlichkeit für die Dickenscherschwingung wird oberhalb 60° für den Polarisationswinkel vernachlässigbar klein.

Der piezoelektrische keramische Resonator nach der Erfindung kann nach folgendem Verfahren hergestellt werden. Zunächst wird ein piezoelektrischer keramischer Körper auf eine in der Technik der Herstellung von Keramikkörpern an sich bekannte Art und Weise in eine Form mit parallel verlaufenden Hauptflächen gebracht. Ein stromleitendes Material, beispielsweise Silber, wird auf herkömmliche Weise auf die größeren Oberflächen aufgebracht, so daß Elektroden für die Zwecke einer Polarisation entstehen. Die Polarisation erreicht man dadurch, daß man Gleichstrom-Hochspannungen auf herkömmliehe Weise zwischen den Elektroden wirken läßt. Die Polarisierung des piezoelektrischen Körpers erfolgt dabei senkrecht zu den größeren Oberflächen, worauf der piezoelektrische Körper mit Hilfe eines Schneidwerkzeuges, beispielsweise eines Diamant-Schneidgeräts, so zugeschnitten wird, daß die Platte eine Dicke gemäß Gleichung (1) erhält und der Polarisationswinkel Φ den obenerwähnten vorgegebenen Wert annimmt. Die Oberflächen der Platte werden dann stromlos verkupfert. Hierauf wird die Kupferoberfläche in an sich bekannter Weise nach dem Ionisationsverfahren mit Silber bedeckt. Hierzu wird das Werkstück in eine wäßrige Lösung von Silberzyanid eingetaucht. Eine entsprechende Umfangsabmessung der mit Silber bedeckten Platte wird mit Hilfe eines Ultraschallverfahrens so eingestellt, daß sich der Umfangsbereich S gemäß Gleichung (3) ergibt. Die Umfangsflächen der genau eingestellten Platte werden mit einer Dämpfungsvorrichtung aus Kautschuk versehen, deren Innendurchmesser kleiner ist als der Außendurchmesser der Platte. Man muß darauf achten, daß der polarisierte keramische Körper während der einzelnen Stufen des Herstellungsverfahrens auf eine Temperatur von unter 60° C gehalten wird, um eine Depolarisation des polarisierten keramischen Körpers zu verhindern.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer Keramikresonator aus einer dünnen flachen Platte aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial, die parallele ebene Hauptflächen hat und in einer Richtung polarisiert ist, wobei die Dicke der Platte so gewählt ist, daß sie bei einer bestimmten Frequenz über 1 MHz Dickenscherschwingungen ausführt, an den ebenen Hauptflächen Arbeitselektroden und an der Umfangskante der flachen Platte schwingungsdämpfende Mittel angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsrichtung (P) zu einem Winkel von 0 bis 60° zu den Hauptflächen der Platte (12) gewählt ist und die schwingungsdämpfende Vorrichtung (18) ein Gummiring mit einer Härte von 20 bis 70 Einheiten der Shore-A-Skala ist, der unter Spannung auf die Umfangskante der Platte (12) aufgebracht ist, um unerwünschte Schwingungen zu unterdrücken.

2. Piezoelektrischer Keramikresonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (12) aus einer piezoelektrischen Keramikscheibe mit einem Verhältnis von Durchmesser zu Dicke von 6 :1 bis 20 :1 besteht.