DE1541956A1 - Elektromechanisches Filter - Google Patents

Description

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^ _u-Lni-tiiFABHIEKEI

Akte: PM- 2131

Anmeldung vom» 21 .November 1967

"Llaktroinechani sches Filter".

Die Erfindung betrifft ein elektromechaiiisches Filter uit einej polarisierten piezoelektrischen Körpar in Form eine9 flachen, kreisförmigen üinges oder einer solchen ocheibo, dessen bzw. deren fluohe ütirnflachen"adt ilijnalelektroden versehen sind. Der Filterkorper wird laeist in einer Schwingun^-suc ^; . angeregt, bei der entweder saa»tliche Punkte einer stirnfläche 3icn gleichphasig in axialer Sichtung von der anderen Stirnfläche weg odor zu ihr hin bewegen (Stärkevibrator), oder sämtliche Punkte dea Aussenzylinderiaantels sich gleichphasig von der Achse we^ oder zu ihr hin bewegen (Radialvibrator). bei Hadialvibratoren Yiird die niedrigste Resonanzfrequenz oder Grundfrequenz in erster Linie durch die grösste Abmessung, d.h. ttlso normalerweise den Durchuesser der Scheibe bzw. den nüssen- und Innendurchmesser des Ringes bedingt. Wird eine höhere Frequenz der Grundechwingung z.B. 10 iiHz oder mehr angestrebt, so sind Kadialvibratoren im allgemeinen weniger geeignet wegen der geringen Abmessungen, die dann für den piezo-elektriachen Körper erforderlich sind. _. *

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Für hohe Grundfrequenzen fcoiaaen daher vielmehr Stärke-Vibratorjn in Frage. L'ei diesen Vibratoren wird der Körper in einer luodo anjercgt, leren Frequenz der (geringen) Starkeabuessung des Körpers entspricht. Lit dieser Lcnwinjunjsiuode gehen aber viele unerwünschten Unharmonischen (Satellite) einher, das sind mechanische Heaonunzfrecuenzon des piezoelektrischen Körpers in der i.ane der 3rundre3onanz, die auf die zwischen den Jignalelektroden gemessene elektrische Impedanz rückwirken und dal r zu einer unorw!li»3ühten elektrischen Kennlinie führen. Nach einer Besonderen Ausfünrungsform eines solchen elektroüechar.iscnen Filters ist der piezoelektrische Körper i.lo flache kreisförmig scheibe ausgebildet, deren flache Stirnflächen in der Mitte alt zwei kreisförmigen Si^nalelektroden versehen sind, wobei auch di-. Polarisation des Körpermaterials zwischen den beiden Elektroden in axialer -iohtung, also senkrecht zu diesen otirnflflchen gerichtet ist. Durch Anlü_t;on oiner Signal spannung an die Signalelektroden wird der Körper an der stelle dioser Signalelektroden in einer Stärkevibrator angeregt, dio sich weiter zuu Hand des Körpers hin fortpflanzt. Bei diesen Rand ist Jio Polarisation in radialer Richting gewanlx, so dass zwisohen einer der Elektroden an den flachen Stirnflächen und einer am Zylinderuantel des Körpers angebrachten Elektrode eine elektrische Ausgangsschwingung abgenommen werden kann, wobei die erwähnte radiale Polarisation dazu dient, eine gute Umsetzung der mechanischen Energie der Stärkevibration, die sich zum Rand hin fortpflanzt, in elektrische L'nergis zwischen den-erwähnten Ausgangselektroden zu erreichen·

Die !Erfindung bezweckt, ein elektroaechanisohes Filter zu O₀ schaffen, bei dem der piezoelektrische Körper in einer !Jode angeregt wird,

OD die bei höheren V/erten der Gruniresonanzfrequenz mit beträchtlich weniger ° (unerwünschten) Unharmonischen der mechanischen Schwingung einher geht _m als es bei StSrkevibratoren der Fall ist. Sie Erfindung weist das Kenn- ■ ) zeichen auf, dass das Material des Körpers, wenigstens zwischen den Signalelektroden, In radialer Richtung eine remanente Polarisation aufweist·

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Im Gegensatz zu der eooben erwähnten Vorrichtung, die sich auf einen Jt~rkcvibrator bezogt handelt ee sich in vorliegenden Fall aleo ua eine radial gerichtete Polarisation zwieclien den Signalelektroden, woraus aich eine ganz andere ächwingungsnode ergibt» nS.alich eine, bei der die Punkte der buiden flachen Stirnflächen, in radialer Hiohtung, jodoch gegenl.hini^ miteinander schwingen. I... Sogenoatz sun eingangs beschriebenen Kadia!vibrator, depsen "rundreconnnzfrequonz in erster Linie durch den ■.urch^eeeor der jjclviibß bzr.. dio Durchmesser des Itinges bedingt wird, wird boio Filter naor« ier „rfiniung die Orundresonanz in oreter Instanz durch die l türke des iiingeft Lz> . der Zciieibe bedingt, 3", duss das Filter fur betrfichtlich höhere Pre-ucnzen joeignet ist. Lie «'lachteile von itürke-Tribrutoren (die auch für h3r.^re Frequenzen geeignet aind/ hinsichtlich der grouecn Zahl von Satelliten bcetohen beia elelctrodechanlechen Filter in.ch der Erfindung in bo.tr£ohtlich geringerem Jiaeee; auseerden eignet sich dae Filter nach der Lrfindur.g insbesondere dazu, durch zusatzliche liasen;.liiuon diese Satellite &ehr odor weniger zu unterdrücken.

Die Erfindung vir<l an Hund der Zeichnung nSher erläutert. Irin xoigeni

Fig. 1 ein Ausführungebeiepiel nach der Erfindungj

Fij. I das YilrationBBiueter Un übertriebener Fora), des FilterkBrpere nach Fi₁;. 1, und

Pif. 3 eiae Zv.-ischenj.hase rur Erzielung eines FilterkBrpers nach Fig. 1.

Pi^. 1 irr ein«: „c-itenansicht cinee piezoelektrischen rSr» pere in Poro einer flachen krcirfSraigen Scheibe, deren flache kreisfSraig· obere und ur.tere Flachen 1 brv. 2 ait ringfSrnigen Signalelektroden 3 b»w» 4 »ersehen sind. Die Ügnalelektroden 3 und 4 sind ait einer elektrisohea Tibrationsquelle 5 c^-t einer inneren Impedanz 6 verbunden, wobei die zwischen den Elektroden 3 u^^ 4 β·Βββββηβ Elektrische Impedanz Hesonanten aufweist, die den nechar.i sehen Higenre sonant on des piezoelektri-

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sehen Körpers entsprechen. Yon dieser Erscheinung kann in bekannter v/eise zum Ausfiltern (d.h. entweder zum Durchlassen oder zum Unterdrücken) von Frequenzen der Signalqualle 5 Gebrauch gemacht werden. Auch kann dor Körper mit zusätzlichen Elektroden an den flachen Stirnflächen versehen werden, wobei von der Erscheinung Gebrauch gemacht wird, dass die bi^nalcuelle ·5 infolge der ο lek trorae chani sehen Kopplung über die Elektroden 3t 4 im piezoelektrischen Korper mechanische Schwingungen erzeugt, was wieder zu einer 'elektrischen Spannung an diesen zusatzlichen Elektroden führt, so dass ein von den gezeichneten Elektroden 3» 4 und den erwähnten (nicht dargestellten) zusatzlichen Elektroden gebildeter Übertragungevierpol entsteht.

Nach der Erfindung herrscht, wenigstens zwischen den Signulelektroden 3 und 4i eine remanente Polarieation P im piezoelektrischen Korper. Jiese Polarisation P ist radial gerichtet und im dargestellten Falle in jeden Punkt des piezoelektrischen Korpers von der Achse 7 abgekehrt. Bekanntlich haben viele Titanate, Zirkonate, Niobate und dergleichen von z.B. Erdalkalimetallen, z.B. Bariumtitanat, Bariurnetrontiumtitanat, Sleititanatzirkonat, usw. die Eigenschaft, dass, nachdem wahrend einiger Zeit eine hohe elektrische Spannung engelegt wurde, im Material eine remanente elektrische Polarisation zurückbleibt, die in Zusammenwirken mit dem Feld einer an den Signalelektroden angelegten elektrischen Spannung nechaniache Formänderungen iia Material herbeiführen, die auf den piezoelektrischen Eigenschaften dieses Materials beruhen. Da das elektrische V/echselfeld in den Elektroden 3 und 4 parallel zur Achse 7 des piezoelektrischen K3rpers verlfiuft und daher eenkrecht zur Polarisation P steht, wird na,, eine Formänderung in diesem Körper herbeigeführt die - in übertriebener Form - für einen bestimmten Augenblick in Fig. 2 veranschaulicht ist.

In dieser Figur ist der Augenblick gewShlt, in dem sSmtliche Punkte der oberen Flache 1 zur Achse 7 hin, jedoch eSmtliohe Punkte der unteren Flache 2 gerade von der Achse 7 wegbewegt waren· Die

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Punkte der oberen Flache 1 vibrieren daher in radialer Richtung und gleichphasig miteinander, die der Flaohe 2 gleichfalls in radialer Richtung und gleichphasig raitainander, jedoch gegenüber den Punkten der Fläche 1 gerade gegenphasig» Die Grundfrequenz der mechanischen Schwingung wird daher in erster Linie durch die Starke d des piezoelektrischen Körpers bedingt, so dass das Filter sich zur Verwendung bei höheren Frequenzen, z.B. einigen MHz, eignet. Im Gegensatz zu den bekannten JtSrkevibratoren ergibt sich aber, dass das erfindungsgemässe Filter beträchtlich Unharmonische weniger oder Satellite besitzt. Diese Tatsache ist nach einer der Erfindung zugrunde liegenden lirkenntnie darauf zurückzuführen dass eine ätärkevibration iiawer wegen der Poisson-Kontraktion auch pit einer xiadialvibration einhergeht; diese Radialvibration pflanzt sich zum AussenZylindermantel des Korpers fort, so dass eine grease Zahl von diesem Aussendurohraesaer abhängiger 3chwingungsmoden möglich v/erden, die insbesondere noch benachdruckt werden können, wenn das (keramische) Material des piezoelektrischen Korpers, UnregelmSssigkeiten, wie Unhoüiogenitatan, oder Lufteinschlüsse, aufweist. Bei der Vorrichtung nach der Lrfindung vibrieren die Punkte des Korpers in radialer Richtung, wobei abur der Aussendurchnie3ser einen nur sehr geringen einfluss auf die Resonanzfrequenz und auf die /iahl der möglichen Schwingungsmoden ausübt, einerseits weil örtliche UnregeImSseigkeitan die raSiale Symmetrie der tichwingunfjserscheinung kaum stören können, anderseits weil die Vibrationen an der oberen und der unteren Fläche den Aussenzylindermantel gegenphasig erreichen, waB mit dem Wegfall einer Anzahl "bei Starke-Vibratoren aöglicher Schwingungsmoden einhergeht*

Die erwähnten Unharmonischen oder Satellite können ausserdera duroh einige Kunstgriffe noch beträchtlich unterdrüokt werden. An erster ütelie kann durch richtige 'Aahl der StSrke der Elektroden 3 und 4 eine Begünstigung der Grundresonanz auf Kosten sämtlicher weiteren Unharmonischen dos piezoelektrischen Körpers bewerkstelligt werden. Auch

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können dazu mehrere konzentrische ringförmige Elektroden am piezoelektrischen "orpor angebracht werden, iioi eino:. piorooljktriochpn Piorper aus ileititanatairkonat mit einer iltürke von etwa 12C/un orgab sich, dass dieser Effekt z.B» mit aufgedampften Ooldoloktroden 3 uni 4 von weniger ala 1/ua ütürke verwirklicht worden kann. Ha wurde f .-!.-* b;on teilt, dass die 0rös3e des /,uasendurohmessers I» I₁S₁L⁵, 6 um) daboi vj,i wenig Linfluss auf dia Srundfrsruens bzv . iio Unh&rcionisuhon war; das .'.bachlfjif en dieses /.uae-jndurchmessers bi3 auf j i.oi.. führte a.l. zu einer hrhöhun.- lor Grunlfroquenz von nur 1 .,_{m %} ^^ _{bochlcifon 1:ann fa} lieh. nein.

1,'eitorhin kann durch gosi-jn^to '.,ahl dnn

D. der „loktrode 3 und/oder 4 erreicht -..'er'ton, dasn uif ntBrendnte ^Tinhari-onischo noch etark unterdrückt wird. Tür D. wir:: dasu vor-iugsweine ain Vrrt sv.-iEahen 0_t3 und 0,5 «"^l doa Aussondurohac^nor ,.· ^ev/uhlt j in

sau Falls kann die der Grunifro^uenz am nächsten lio^endo Unhar-.onicsho unterdrückt werden. In Fij. 1 iot dor Innendurc/ir.eosser der ocheibeni'8r...ijen Jijnalelektroden 3 und 4 ßit D. bozeiohnot. i.s sei abor bemerkt, dasB e3 gleichgültig ist, ob eine oder beido ^ignaleloktroden 3 und 4 den gestellten ^edin^ung entsprechen, da das oloktrieche uQchselfeld sich praktisch nicht weiter uls iu Bereich zwischen len beiden Signalelektroden erstreckt. Gewünschtenfalls könnte oan auch (z.3. zur obenerwähnten Hervorhebung der Grund3chwinguns auf i:oaten der Unharmonischen durch geedgne.te Wahl der otärke der Elektroden 3 und 4) die Elektroden 3 und 4 die ganze Oberfläche 1 bzw. 2 bedecken lassen, jedoch dafür sorgen, dass im piezoelektrischen K3rper innerhalb eines Zylinders mit einem Durchmesser D. keine radiale i-olarisation herrscht. In diesem Falle hat der Mittelteil des piezoelektrischen Körpers keinen Anteil an der elektromeohanischen Umsetzung $ man könnte daher gewünschtenfalls auch von eineia ringförmigen piezoelektrischen Körper ausgehen. Durch Naohschleifen des Innendurchmessers eines solchen Hinges kann man die Grundresonanz frhShen, z»B» beim Trimmen« 009848/0166 -

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'.Veiter kann nun gewünschtenfalls noch andere übliche zui. Unterdrücken unerwünschter Unharmonischen anwenden. So ict öS z. . bekanntι an geeigneten ütellon eines Yibrutorkörpers akustisch dädpfendoH Material, z.:. ein epoxyharz, anzubringen· Ir₄ vorliegenden >Vllo kann a.j. ui» .ucaenzylindernuntol des piezoelektrischen Körpers . ä:apfunginateriul angebracht werden.

Zur ^rzit-lung der gewünschten radialen Polarisation kann naturgcu'Iss von einen ringförui^en piezoelektriachen Körper ausgegangen worcicn, vfobti :;wiechen do:.i Innen-und . ussenzylindernantel das betreffende nturkc r'lcktrischG Feld wahrend der vorgeschriebenen .,eit angelegt wird. ,.uci. kann mn wie folgt verfahreni ausgehend von einen beträchtlich, f?ti"ri:«rcn piezoelektrischen Korper als endgültig gewünscht wird, wie in /i/;. 3 durgestellt, wird dieser Körper mit zwei kreisförmigen ^lektrocion 8 bzw. ') auf seinen flachen Stirnflochen und nit einer zylinderföruigon «lPKtrode 10 an soinea aylinderfornigen Aussenmantel versehen. Jie i'olarisation P kann nun dadurch erhalten werden, dass die Elektroden 8 und S¹ elektrisch miteinander verbunden und an der elektrode 10 eine hohe tpcmnung gegenüber den durchverbunÄenen Elektroden 8 und 9 angelegt wird. Anrchlicnsend können dann die obere und die untere Fluche bie auf die genilnschtc Stärke abgeschliffen werden, so dass la gewünschten LSr* pertoil dio «rforderlioho mehr oder weniger homogene radiale Polarisation 1 entsteht.

DAD CHiGiNAi

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Claims (3)

PHN. 2131 PATENTAITSPRTJEGHEt

1. Elektromechanisches Filter mit einen polarisierten piezoelektrischen Korper in Form eines flachen, kreisförmigen Hinges oder einer solchen Scheibe, dessen bzw. deren flache Stirnflachen mit Signalelektroden versehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Korperiaaterial wenigstens zwischen den Signalelektroden in radialer Richtung eine remanente Polarisation aufweist.

2. Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser wenigstens einer Signalelektrode und/oder der Innendurchmesser, wo die radiale remanente Polarisation anfängt, zv/ischen 0,3 und 0,5 mal dem Aussendurchmesser betriigt.

3. Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Starke der Signalelektroden derart gewählt ist, dass eine Begünstigung der Grundfrequenz hinsichtlich der Satellite der erzeugten mechanischen Schwingung im piezoelektrischen Körper erzielt wird.

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