DE1541953C

DE1541953C - Electromechanical filter

Info

Publication number: DE1541953C
Authority: DE
Inventors: Martijn de Eindhoven Jong (Nieder lande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Publication date: 1972-09-07

Description

.0,5 g.0.5 g

gi 0,7gi 0.7

oder die Bedingungor the condition

0,8 ^0.8 ^

R„ — R: R " - R:

^0,9^ 0.9

erfüllt.Fulfills.

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisches Filter mit einem piezoelektrischen Körper in Form eines geschlossenen kurzen Hohlzylinders mit einem Innendurchmesser 2 R₁, der mindestens gleich dem 0,1 fachen des Außendurchmessers 2 R_u ist, an dessen Stirnflächen ringförmige Anstoßelek- 35: troden angeordnet sind, um den Körper in mechanische Schwingung zu versetzen.The invention relates to an electromechanical filter with a piezoelectric body in the form of a closed, short hollow cylinder with an inner diameter 2 R ₁ , which is at least 0.1 times the outer diameter 2 R _u , on whose end faces annular abutment electrodes are arranged are to make the body vibrate mechanically.

Das piezoelektrische Material des Körpers kann beispielsweise aus einem polykristallinen Titanat, Niobat und/oder Zirkonat eines der Erdalkalimetalle bestehen, welche Materialien die Eigenschaft aufweisen, daß sie nach Anlegen und anschließendem Wegnehmen einer hohen elektrischen Spannung zwischen den erwähnten Elektroden eine remanente elektrische Polarisierurig in Achsrichtung erhalten. Wird danach den erwähnten Anstoßelektroden eine Wechselspannung zugeführt, führt der Körper eine radiale Schwingung aus, wobei die zwischen den Anstoßelektroden gemessene Impedanz bzw. die zwischen diesen Anstoßelektroden und zwei ebenfalls an den Endflächen des Zylinders angeordneten Abgreifelektroden gemessene Ubertragungskennlinie bei denjenigen Frequenzen, bei denen der Körper in mechanische Resonanz gesetzt wird, einen Resonanzcharakter aufweisen.. Dieser Resonanzcharakter läßt sich dazu verwenden,. um elektrische Signale einer gewünschten Frequenz . von solchen mit unerwünschten Frequenzen zu trennen. The piezoelectric material of the body can, for example, consist of a polycrystalline titanate, Niobate and / or zirconate are one of the alkaline earth metals, which materials have the property that after applying and then removing a high electrical voltage between the electrodes mentioned have a remanent electrical polarization in the axial direction. Will after that If an alternating voltage is supplied to the abutment electrodes mentioned, the body performs a radial oscillation off, the impedance measured between the abutment electrodes or that between these abutment electrodes and two pick-off electrodes also arranged on the end faces of the cylinder Transfer characteristic at those frequencies at which the body is in mechanical resonance is set, have a resonance character. This resonance character can be used to. around electrical signals of a desired frequency. separate from those with undesired frequencies.

Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem, daß ein mechanischer Körper eine Vielzahl von Eigenresonanzen der mechanischen Schwingung aufweisen kann, deren Frequenzunterschiede untereinander im allgemeinen von ungleicher Größe sind. Dadurch weist die elektrische Impedanz bzw. die elektrische Ubertragungskennlinie ebenfalls für mehrere Frequenzen einen Resonanzcharakter auf, so daß eine ungenügende Dämpfung der unerwünschten Signalfrequenzen auftreten kann, insbesondere wenn die erwähnten Resonanzfrequenzen zu nahe beieinander liegen. Wenn von einem kurzen Zylinder ausgegangen wird, dessen Höhenabmessung gegenüber dem Außendurchmesser klein — im allgemeinen kleiner als ein Drittel desselben — ist, läßt sich erreichen, daß die mit einer axialen Schwingung des Vibratorkörpers übereinstimmenden Resonanzfrequenzen weit von den mit der erwähnten radialen Schwingung übereinstimmenden Resonanzfrequenzen entfernt bleiben. Wie der Erfindung zugrunde liegende Untersuchungen zeigen, bietet ein Ring gegenüber einer Scheibe weiter den Vorteil, daß. bei einem Verhältnis des Innendurch-The invention deals with the problem that a mechanical body has a large number of natural resonances the mechanical vibration can have, the frequency differences between them in are generally of unequal size. As a result, the electrical impedance or the electrical transmission characteristic also has a resonance character for several frequencies, so that an insufficient Damping of unwanted signal frequencies can occur, especially if the mentioned resonance frequencies are too close together. If a short cylinder is assumed, its Height dimension small compared to the outer diameter - generally less than a third of the same - Is, it can be achieved that the coincide with an axial oscillation of the vibrator body Resonance frequencies far from those corresponding to the aforementioned radial oscillation Resonance frequencies remain away. As the studies on which the invention is based show a ring offers the advantage over a disk that. with a ratio of the inner diameter

. messers zum Außendurchmesser von über 0,1 die auftretenden mechanischen Resonanzfrequenzen sich immer weiter voneinander entfernen, je größer dieses Verhältnis gewählt wird. Dies erleichtert die Trennung der gewünschten von den unerwünschten Frequenzen, weil ein ebenfalls angewandtes elektrisches Netzwerk bei den höheren Resonanzfrequenzen genügend Dämpfung aufweisen kann, um unerwünschte Frequenzen zu unterdrücken.. knife to the outer diameter of over 0.1 the occurring mechanical resonance frequencies further and further away from each other, the larger this ratio is chosen. This makes the separation easier the desired of the undesired frequencies, because an also applied electrical Network at the higher resonance frequencies can have sufficient damping to avoid undesired Suppress frequencies.

Der Zeitschrift »Frequenz«, Mai 1957, S. 142 bis 145, ist die Erkenntnis zu entnehmen, daß die Wandstärke eines radial schwingenden Ringes die Resonanzfrequenz und gleichzeitig den Abstand zwischen Resonanzfrequenz und Oberschwingungen beeinflußt, über die Breite der Anstoßelektroden ist hier nichts ausgesagt.The magazine "Frequency", May 1957, pp. 142 to 145, the finding can be inferred that the wall thickness of a radially oscillating ring the resonance frequency and at the same time the distance between The resonance frequency and harmonics are influenced, there is nothing here about the width of the contact electrodes testified.

Aus der Zeitschrift »The Journal of the Institute of Electrical Communication Engineers of Japan«, Nov. 1965, S. 1827 bis 1833 bzw. 1844 bis 1850, ist ein ringförmiger Schwingungskörper mit einem radialen Spalt bekannt, an dessen beiden Stirnflächen jeweils zwei ringsegmentförmige Elektroden aufgebracht sind, von denen eine als Eingangselektrode und die zweite als Ausgangselektrode benutzt wird. Infolge des im Schwingungskörper vorhandenen Spaltes weicht das Schwingungsverhalten dieses Körpers wesentlich von dem Verhalten eines geschlossenen Hohlzylinders ab. Die Breite jeder Elektrode ist notwendigerweise kleiner als die ,halbe Breite des Schwingungskörpers. Ein Zusammenhang zwischen Elektrodenbreite und Unterdrückung von Oberschwingungen ist diesen Literaturstellen nicht zu entnehmen.From the journal "The Journal of the Institute of Electrical Communication Engineers of Japan", Nov. 1965, pp. 1827 to 1833 or 1844 to 1850, is an annular vibrating body with a radial one Known gap, on the two end faces of which two ring segment-shaped electrodes are applied, one of which is used as an input electrode and the second is used as an output electrode. As a result of the im Vibration body existing gap deviates the vibration behavior of this body significantly the behavior of a closed hollow cylinder. The width of each electrode is necessarily smaller than half the width of the vibrating body. A relationship between electrode width and suppression of harmonics cannot be found in these literature references.

In der USA.-Patentschrift 2 877 432 ist ein elektromechanisches Filter beschrieben, das aus vier dünnen, radial schwingenden Ringscheiben besteht, die auf einer gemeinsamen Hohlachse sitzen. Die beiden Endscheiben sind auf ihren Stirnflächen mit Elektroden versehen, über deren Breite nichts ausgesagt ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem elektromechanischen Filter eingangs erwähnter Art die Anstoßelektroden so zu bemessen, daß eine maximale Unterdrückung von Schwingungen unerwünschter Frequenzen (Oberwellen) stattfindet.U.S. Patent 2,877,432 is an electromechanical Filter described, which consists of four thin, radially oscillating ring disks, which on sit on a common hollow axle. The two end disks have electrodes on their end faces provided, about the width of which nothing is stated. The invention is based on the object at a electromechanical filter of the type mentioned at the outset to dimension the contact electrodes so that a maximum Suppression of vibrations of unwanted frequencies (harmonics) takes place.

Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die in radialer Richtung gemessene Breite b wenigstens einer der Anstoßelektroden entweder die BedingungAccording to the invention, this is achieved in that the width b measured in the radial direction of at least one of the abutment electrodes either fulfills the condition

oder die Bedingung
0,8 ^or the condition
0.8 ^

erfüllt.Fulfills.

R„ — R " -

ύ 0,9 ύ 0.9

Die Erfindung wird nunmehr an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigtThe invention will now be described in greater detail using an exemplary embodiment shown in the drawing explained. It shows

F i g. 1 ein Filter nach der Erfindung,F i g. 1 a filter according to the invention,

F i g. 2 und 3 Kennlinien zur Erläuterung der Erfindung.F i g. 2 and 3 characteristic curves to explain the invention.

Fig. 1 zeigt die Draufsicht eines zylinderförmigen Schwingungskörpers aus piezoelektrischem polykristallinem Material, vorzugsweise einem keramischen Material, insbesondere mit permanenter axialer elektrischer Polarisierung. Die Höhenabmessung des Zylinders — das ist also senkrecht zur Zeichnungsebene gemessen — ist im Vergleich zu seinem Außendurchmesser 2R_U so gering, daß mit dieser Höhenabmessung übereinstimmende Resonanzen außer Betracht bleiben können. Der Innendurchmesser des Ringes ist 21?,-. Auf den beiden Stirnflächen sind ringförmige Anstoßelektroden angebracht, von denen in Fig. 1 nur die obere sichtbar und schraffiert dargestellt ist. Diese Elektroden können untereinander gleiche Innen- und Außendurchmesser aufweisen; für die im nachfolgenden zu beschreibenden Bedingungen genügt es, wenn nur eine dieser Elektroden diese Bedingungen erfüllt. Wenn eine elektrische Wechselspannung zwischen diesen Elektroden angelegt wird, gerät der Körper in radiale Schwingung, wobei eine elektrische Resonanzkennlinie erhalten werden kann — entweder als zwischen diesen Elektroden gemessene elektrische Impedanz oder als Ubertragungskennlinie, wobei die erwähnten Elektroden als Anstoßelektroden und ein zweiter Satz an beiden Stirnflächen angebrachter Elektroden als Ausgangselektroden wirken —, welche Resonanzkennlinie mit den mechanischen Resonanzen des Körpers übereinstimmt. Es stellt sich heraus, daß für die niedrigste Resonanzfrequenz die Teilchen des Körpers in der Nähe des Innenzylindermantels in derselben Phase schwingen wie diejenigen in der Nähe des Außenzylindermantels, für die erstfolgende Resonanzfrequenz in Gegenphase usw.1 shows the top view of a cylindrical vibrating body made of piezoelectric polycrystalline material, preferably a ceramic material, in particular with permanent axial electrical polarization. The height dimension of the cylinder - that is measured perpendicular to the plane of the drawing - is so small compared to its outer diameter 2R _U that resonances that correspond to this height dimension can be disregarded. The inner diameter of the ring is 21?, -. Ring-shaped abutment electrodes are attached to the two end faces, of which only the upper one is visible and shown hatched in FIG. 1. These electrodes can have the same inner and outer diameter as one another; for the conditions to be described below, it is sufficient if only one of these electrodes fulfills these conditions. If an electrical alternating voltage is applied between these electrodes, the body starts to vibrate radially, whereby an electrical resonance characteristic can be obtained - either as an electrical impedance measured between these electrodes or as a transmission characteristic, with the electrodes mentioned as abutment electrodes and a second set on both end faces attached electrodes act as output electrodes - which resonance characteristic corresponds to the mechanical resonances of the body. It turns out that for the lowest resonance frequency the particles of the body in the vicinity of the inner cylinder jacket vibrate in the same phase as those in the vicinity of the outer cylinder jacket, for the first following resonance frequency in antiphase, etc.

Der Effekt der Verwendung eines derartigen Zylinders an Stelle eines massiven scheibenförmigen Vibratorkörpers geht aus F i g. 2 hervor.The effect of using such a cylinder in place of a solid disk-shaped vibrator body goes from Fig. 2 emerges.

In dieser Figur ist in vertikaler Richtung das Verhältnis zwischen dem Innen- und AußenradiusIn this figure, in the vertical direction is the ratio between the inner and outer radius

als Funktion des Produktes der auftretendenas a function of the product of the occurring

Resonanzfrequenzen/ und des AußenradiusR_u aufgetragen. Aus dieser Figur geht hervor, daß bei zunehmendem Innendurchmesser die tiefste auftretende Resonanzfrequenz (Kurve 1) immer niedriger, die folgenden Resonanzfrequenzen (Kurven 2, 3, 4) dagegen zunächst niedriger, aber danach immer höher zu liegen kommen. Diese Erscheinung fängt bereits an, wenn der Innendurchmesser mehr als das 0,1 fache des Außendurchmessers beträgt. Vorzugsweise wird man einen Innendurchmesser wählen, der mindestens das 0,3fache des Außendurchmessers beträgt; man braucht jedoch den Innendurchmesser nicht allzu groß zu wählen, vorzugsweise kleiner als das 0,7fache des Außendurchmessers, weil sonst wieder die Höhe des Zylinders (die beispielsweise das 0,1 fache des Außendurchmessers beträgt) einen störenden Einfluß auf die auftretenden Resonanzen ausüben kann. Durch den obenerwähnten Effekt wird erreicht, daß, wenn man beispielsweise das Filter dazu verwenden will, Frequenzen in der Nähe der Resonanzkurve 1 herauszufiltern, die Durchlässigkeit des Filters für die übrigen Frequenzbereiche (in der Nähe der Resonanzen nach den Kurven 2, 3, 4) so weit weg liegen, daß ein einfaches zusätzliches Netzwerk ausreicht, um die Durchlässigkeit für diese letztgenannten Frequenzen zu unterdrücken.Resonance frequencies / and the outer radius R _u plotted. This figure shows that as the inner diameter increases, the lowest occurring resonance frequency (curve 1) becomes lower and lower, while the following resonance frequencies (curves 2, 3, 4) are initially lower, but then always higher. This phenomenon already begins when the inside diameter is more than 0.1 times the outside diameter. An inside diameter will preferably be chosen which is at least 0.3 times the outside diameter; However, the inside diameter does not have to be chosen too large, preferably smaller than 0.7 times the outside diameter, because otherwise the height of the cylinder (which is 0.1 times the outside diameter, for example) can have a disruptive influence on the resonances that occur. The effect mentioned above ensures that if you want to use the filter, for example, to filter out frequencies in the vicinity of the resonance curve 1, the permeability of the filter for the other frequency ranges (in the vicinity of the resonances according to curves 2, 3, 4) are so far away that a simple additional network is sufficient to suppress the transmission of these latter frequencies.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Zylinders an Stelle einer massiven Scheibe ist noch, daß man die Resonanzfrequenz sowohl erhöhen (durch Verringerung des Außendurchmessers durch Abschleifen) als auch (durch Vergrößerung des Innendurchmessers durch Abschleifen) erniedrigen kann.Another advantage of using a cylinder in place of a solid disk is that you can both increase the resonance frequency (by reducing the outer diameter by grinding) as well as (by increasing the inner diameter by grinding).

Wie in F i g. 1 dargestellt ist, bedeckt die schraffiert dargestellte Anstoßelektrode die Oberfläche des piezoelektrischen Körpers nur teilweise. Die in radialer Richtung gemessene Breite der Elektrode ist mit b angegeben. Die Elektroden erstrecken sich vom Innenzylindermantel bis zu einem Halbmesser R_t + b, wie in Fig. 1 dargestellt ist; es empfiehlt sich manchmal, die Elektroden weiter nach außen anzuordnen, dies jedoch auf Kosten der befriedigenden mechanischen Anregung des Schwingungskörpers.As in Fig. 1, the crosshatched abutment electrode only partially covers the surface of the piezoelectric body. The width of the electrode measured in the radial direction is indicated by b. The electrodes extend from the inner cylinder jacket to a radius R _t + b, as shown in FIG. 1; it is sometimes advisable to arrange the electrodes further outwards, but this at the expense of the satisfactory mechanical excitation of the vibrating body.

Bei Versuchen hat sich herausgestellt, daß man in der dargestellten Lage durch richtige Wahl der Breite b eine völlige Unterdrückung einer der in F i g. 2 dargestellten Resonanzen erreichen kann. Oft ist es erwünscht, nur die' mit der niedrigsten Resonanzfrequenz übereinstimmende Filterwirkung zu verwenden und die für die übrigen Resonanzen zu unterdrücken. Da die zweite Resonanz (Kurve 2 in F i g. 2) der Grundresonanz (Kurve 1) am nächsten liegt, ist es dann am günstigsten, die Breite b derart zu wählen, daß diese zweite Resonanz rigoros unterdrückt wird.Experiments have shown that, in the position shown, a correct choice of the width b can result in a complete suppression of one of the functions shown in FIG. 2 can reach resonances. It is often desirable to use only the filter effect that corresponds to the lowest resonance frequency and to suppress that for the other resonances. Since the second resonance (curve 2 in FIG. 2) is closest to the basic resonance (curve 1), it is then best to choose the width b in such a way that this second resonance is rigorously suppressed.

In F i g. 3 zeigt die Kurve 2, bei welchem Wert von b im Verhältnis zu (R_u — R_t) diese ErscheinungIn Fig. 3 shows curve 2 at which value of b in relation to (R _u - R _t ) this phenomenon

als Funktion des Verhältnisses -^i- auftritt. Manoccurs as a function of the ratio - ^ i-. Man

sieht, daß im brauchbaren Gebiet dann die Bedingung erfüllt werden muß, daß die Summe dieser beiden Verhältnisse zwischen 0,5 und 0,7 liegt.sees that in the usable area the condition must then be met that the sum of these two Ratios between 0.5 and 0.7.

Unter Umständen kann es jedoch erwünscht sein, sowohl die zur-Kurve 1-in Fig. 2 als auch die zur "Kurve 2 in F i g. 2 gehörende Resonanzerscheinung zu verwenden. Der Vibratorkörper wird dann dazu verwendet, zwei getrennte Frequenzbereiche selektiv durchzulassen und übrige Frequenzen zu unterdrücken. Ein derartiger Fall liegt z. B. in Empfängern für sowohl amplituden- als auch frequenzmodulierte Schwingungen vor. Auch kann beispielsweise die eine Resonanzfrequenz die Schwingungsfrequenz einer selbstschwingenden Mischstufe bestimmen, die nur für Signalfrequenzen in der Nähe der anderen Resonanzfrequenz durchlässig ist. Unter diesen Umständen ist es erwünscht, die dritte Resonanz (Kurve 3 in F i g. 2) rigoros zu unterdrücken, was nach F i g. 3 erhalten wird, wenn b im Verhältnis zu (R₁₁ — R₁) alsUnder certain circumstances, however, it may be desirable to use both the resonance phenomenon associated with curve 1 in FIG. 2 and the resonance phenomenon associated with curve 2 in FIG. 2. The vibrator body is then used to selectively pass two separate frequency ranges and Such a case exists, for example, in receivers for both amplitude- and frequency-modulated oscillations. One resonance frequency can also determine the oscillation frequency of a self-oscillating mixer stage, which is only permeable to signal frequencies in the vicinity of the other resonance frequency Under these circumstances it is desirable to rigorously suppress the third resonance (curve 3 in Fig. 2), which is obtained from Fig. 3 when b in relation to (R ₁₁ - R ₁ ) as

Funktion von -^ der Kurve 3 in F i g. 3 entspricht.Function of - ^ of curve 3 in F i g. 3 corresponds.

.K₁..K ₁ .

Aus letztgenannter Kurve ist ersichtlich, daß dann für das obenerwähnte Verhältnis 'ein Wert zwischen 0,8 und 0,9 gewählt werden muß.From the latter curve it can be seen that a value between 0.8 and 0.9 must be chosen.

Theoretisch wäre es auch möglich, einen derartigen Wert für die Breite b zu wählen, daß höhere Resonanzen unterdrückt werden, aber dazu liegt in der Praxis meistens wenig Bedürfnis vor. Selbstverständlich kann man zur Erhaltung einer besseren Filterwirkung meh-Theoretically it would also be possible to choose a value for the width b such that higher resonances are suppressed, but in practice there is usually little need for this. Of course, to maintain a better filter effect, more

rere der beschriebenen elektromechanischen Filter in Kaskade schalten, deren Vibratorkörper derart verschiedene Innen- und Außendurchmesser aufweisen, daß beispielsweise ihre Grundresonanzen zusammenfallen, aber die höheren Resonanzen untereinander verschieden sind. Auch in diesem Fall kann es sich'empfehlen, den Elektroden gemäß der an Hand der F i g. 3 beschriebenen Lehre derartige Breiten b zu geben, daß bestimmte unerwünschte Resonanzen unterdrückt werden.Rere of the described electromechanical filters switch in cascade, the vibrator bodies of which have such different inner and outer diameters that, for example, their basic resonances coincide, but the higher resonances are different from one another. In this case, too, it can be advisable to use the electrodes according to the method shown in FIG. 3 teaching described to give such widths b that certain undesirable resonances are suppressed.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Claim:

Electromechanical filter with a piezoelectric body in the form of a closed, short hollow cylinder with an inner diameter 2jR; which is at least equal to 0.1 times the outer diameter 2R _U , on the end faces of which ring-shaped bump electrodes are arranged in order to set the body in mechanical vibration, thereby characterized in that the width b measured in the radial direction of at least one of the abutment electrodes either fulfills the condition