DE1541956B2 - Elektromechanische schwingungsanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromechanische Schwingungsanordnung mit einem polarisierten piezoelektrischen Körper in Form eines flachen, kreisförmigen Ringes oder einer solchen Scheibe, dessen bzw. deren flache Stirnflächen mit Signalelektroden zum Erregen eines axialen Feldes versehen sind.

Der piezoelektrische Körper wird meist in einer Schwingungsmode angeregt, bei der entweder sämtliche Punkte einer Stirnfläche sich gleichphasig in axialer Richtung von der anderen Stirnfläche weg oder zu ihr hin bewegen (Dickenvibrator), oder sämtliche Punkte des Außenzylindermantels sich gleichphasig von der Achse weg oder zu ihr hin bewegen (Radialvibrator). Bei Radialvibratoren wird die niedrigste Resonanzfrequenz oder Grundfrequenz in erster Linie durch die größte Abmessung, d. h. also normalerweise den Durchmesser der Scheibe bzw. den Außen- und Innendurchmesser des Ringes bedingt. Wird eine höhere Frequenz der Grundschwingung, z. B. 10 MHz oder mehr, angestrebt, so sind Radialvibratoren im allgemeinen weniger geeignet wegen der geringen Abmessungen, die dann für den piezoelektrischen Körper erforderlich sind.

Für hohe Grundfrequenzen kommen daher vielmehr Dickenvibratoren in Frage. Bei diesen Vibratoren wird der Körper in einer Mode angeregt, deren Frequenz der geringen Dickenabmessung des Körpers entspricht. Mit dieser Schwingungsmode gehen aber viele unerwünschte nicht harmonische Oberwellen einher, das sind mechanische Resonanzfrequenzen des piezoelektrischen Körpers in der Nähe der Grundresonanz, die auf die zwischen den Signalelektroden gemessene elektrische Impedanz rückwirken und daher zu einer unerwünschten elektrischen Kennlinie führen. Nach einer besonderen Ausführungsform einer solchen elektromechanischen Schwingungsanordnung (US-PS 28 30 274) ist der piezoelektrische Körper als flache kreisförmige Scheibe ausgebildet, deren flache Stirnfläche in der Mitte mit zwei kreisförmigen Signalelektroden versehen sind, wobei auch die Polarisation des Körpermaterials zwischen den beiden Elektroden in axialer Richtung, also senkrecht zu diesen Stirnflächen gerichtet ist Durch Anlegen einer Signalspannung an die Signalelektroden wird der Körper an der Stelle dieser Signalelektroden zu einer Dickenvibration angeregt, die sich weiter zum Rand des Körpers hin fortpflanzt. An diesem Rand ist die Polarisation in radialer Richtung gewählt, so daß zwischen einer der Elektroden an den flachen Stirnflächen und einer am Zylindermantel des Körpers angebrachten Elektrode eine elektrische Ausgangsschwingung abgenommen werden kann, wobei die erwähnte radiale Polarisation dazu dient, eine gute Umsetzung der mechanischen Energie der Dickenvibration, die sich zum Rand hin

ίο fortpflanzt, in elektrische Energie zwischen den erwähnten Ausgangselektroden zu erreichen.

Bei einem aus der GB-PS 8 48 019 bekannten radial polarisierten Resonator befindet sich eine der Anstoßelektroden an der Resonatorperipherie, während die Gegenelektrode durch zwei Elektroden im Zentrum gebildet wird. Das von diesen Elektroden hervorgerufene Feld liegt also praktisch parallel zur radialen Polarisation. Dieser bekannte Resonator wird daher auch eine Radialschwingung ausführen, deren Resonanzfrequenz von den radialen Abmessungen des Körpers bestimmt wird und nicht von der Dicke.

Die Erfindung bezweckt, eine elektromechanische Schwingungsanordnung zu schaffen, bei dem der piezoelektrische Körper in einer Mode angeregt wird, die bei höheren Werten der Grundresonanzfrequenz mit beträchtlich weniger nicht harmonischen Oberschwingungen einhergeht, als es bei Dickenvibratoren der Fall ist.

Die Erfindung weist das Kennzeichen auf, daß das Körpermaterial wenigstens zwischen den ein Elektrodenpaar bildenden Signalelektroden in radialer Richtung eine homogene remanente Polarisation aufweist und daß das von den Signalelektroden erregte Feld senkrecht zur remanenten Polarisation steht.

Im Gegensatz zu den obenerwähnten Dickenvibratoren handelt es sich beim Anmeldungsgegenstand also um eine radial gerichtete Polarisation zwischen den Signalelektroden, woraus sich eine ganz andere Schwingungsmode ergibt, nämlich eine, bei der die Punkte der beiden flachen Stirnflächen in radialer Richtung, jedoch gegenphasig miteinander schwingen. Im Gegensatz zum eingangs beschriebenen Radialvibrator, dessen Grundresonanzfrequenz in erster Linie durch den Durchmesser der Scheibe bzw. die Durchmesser des Ringes bedingt wird, wird bei der Schwingungsanordnung nach der Erfindung die Grundresonanz in erster Linie durch die Dicke des Ringes bzw. der Scheibe bedingt, so daß die Anordnung für beträchtlich höhere Frequenzen geeignet ist. Die Nachteile von Dickenvibratoren (die auch für höhere Frequenzen geeignet sind) hinsichtlich der großen Zahl von nicht harmonischen Oberschwingungen bestehen bei der elektromechanischen Schwingungsanordnung nach der Erfindung in beträchtlich geringerem Maße; außerdem eignet sich die Anordnung nach der Erfindung insbesondere dazu, durch zusätzliche Maßnahmen diese nicht harmonischen Oberschwingungen mehr oder weniger zu unterdrücken.
Vorzugsweise beträgt der Innendurchmesser einer Signalelektrode und/oder der Innendurchmesser der radialen remanenten Polarisation zwischen 0,3- und 0,5mal dem jeweiligen Außendurchmesser.

Die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung,

F i g. 2 das Vibrationsmuster (in übertriebener Form) der Anordnung nach F i g. 1 und und

Fig.3 eine Zwischenphase zur Erzielung eines

Schwingungskörpers nach F i g. 1.

F i g. 1 ist eine Seitenansicht eines piezoelektrischen Körpers in Form einer flachen kreisförmigen Scheibe, deren flache kreisförmige obere und untere Flächen t bzw. 2 mit ringförmigen Signalelektroden 3 bzw. 4 versehen sind. Die Signalelektroden 3 und 4 sind mit einer elektrischen Vibrationsquelle 5 mit einer inneren Impedanz 6 verbunden, wobei die zwischen den Elektroden 3 und 4 gemessene elektrische Impedanz Resonanzen aufweist, die den mechanischen Eigenresonanzen des piezoelektrischen Körpers entsprechen. Von dieser Erscheinung kann in bekannter Weise zum Ausfiltern (d. h. entweder zum Durchlassen oder zum Unterdrücken) von Frequenzen der Signalquelle 5 Gebrauch gemacht werden. Auch kann der Körper mit zusätzlichen Elektroden an den flachen Stirnflächen versehen werden, wobei von der Erscheinung Gebrauch gemacht wird, daß die Signalquelle 5 infolge der elektromechanischen Kopplung über die Elektroden 3, 4 im piezoelektrischen Körper mechanische Schwingungen erzeugt, was wieder zu einer elektrischen Spannung an diesen zusätzlichen Elektroden führt, so daß ein von den gezeichneten Elektroden 3, 4 und den erwähnten (nicht dargestellten) zusätzlichen Elektroden gebildeter Übertragungsvierpol entsteht.

Nach der Erfindung herrscht, wenigstens zwischen den Signalelektroden 3 und 4, eine remanente Polarisation P im piezoelektrischen Körper. Diese Polarisation P ist radial gerichtet und im dargestellten Falle in jedem Punkt des piezoelektrischen Körpers von der Achse 7 abgekehrt Bekanntlich haben viele Titanate, Zirkonate, Niobate u. dgl. von z. B. Erdalkalimetallen, z. B. Bariumtitanat, Bariumstrontiumtitanat, Bleititanatzirkonat, usw. die Eigenschaft, daß, nachdem während einiger Zeit eine hohe elektrische Spannung angelegt wurde, im Material eine remanente elektrische Polarisation zurückbleibt, die im Zusammenwirken mit dem Feld einer an den Signalelektroden angelegten elektrischen Spannung mechanische Formänderungen im Material herbeiführen, die auf den piezoelektrischen Eigenschaften dieses Materials beruhen. Da das elektrische Wechselfeld in den Elektroden 3 und 4 parallel zur Achse 7 des piezoelektrischen Körpers verläuft und daher senkrecht zur Polarisation P steht, wird nun eine Formänderung in diesem Körper herbeigeführt, die — in übertriebener Form — für einen bestimmten Augenblick in F i g. 2 veranschaulicht ist.

In dieser Figur ist der Augenblick gewählt, in dem sämtliche Punkte der oberen Fläche 1 zur Achse 7 hin, jedoch sämtliche Punkte der unteren Fläche 2 gerade von der Achse 7 weg bewegt waren. Die Punkte der oberen Fläche 1 vibrieren daher in radialer Richtung und gleichphasig miteinander, die der Fläche 2 gleichfalls in radialer Richtung und gleichphasig miteinander, jedoch gegenüber den Punkten der Fläche 1 gerade gegenphasig. Die Grundfrequenz der mechanischen Schwingung wird daher in erster Linie durch die Stärke 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 Dickenvibratoren ergibt sich aber, daß die erfindungsgemäße Anordnung beträchtlich weniger nicht harmonische Oberschwingungen besitzt. Diese Tatsache ist einer der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis darauf zurückzuführen, daß eine Dickenvibration immer wegen der Poisson-Kontraktion auch mit einer Radialvibration einhergeht; diese Radialvibration pflanzt sich zum Außenzylindermantel des Körpers fort so daß eine große Zahl von diesem Außendurchmesser abhängiger Schwingungsmoden möglich werden, die insbesondere noch benachdruckt werden können, wenn das Material des piezoelektrischen Körpers Unregelmäßigkeiten, wie Unhomogenitäten oder Lufteinschlüsse, aufweist. Bei der Anordnung nach der Erfindung vibrieren die Punkte des Körpers in radialer Richtung, wobei der Außendurchmesser einen nur sehr geringen Einfluß auf die Resonanzfrequenz und auf die Zahl der

ίο möglichen Schwingungsmoden ausübt, einerseits weil örtliche Unregelmäßigkeiten die radiale Symmetrie der Schwingungserscheinung kaum stören können, andererseits weil die Vibrationen an der oberen und der unteren Fläche den Außenzylindermantel gegenphasig erreichen, was mit dem Wegfall einer Anzahl bei Dickenvibratoren möglicher Schwingungsmoden einhergeht.

Die erwähnten nicht harmonischen Oberschwingungen können außerdem durch einige Kunstgriffe noch beträchtlich unterdrückt werden. Zunächst kann durch richtige Wahl der Stärke der Elektroden 3 und 4 eine Begünstigung der Grundresonanz auf Kosten sämtlicher weiteren Unharmonischen des piezoelektrischen Körpers bewerkstelligt werden. Auch können dazu mehrere konzentrische ringförmige Elektroden am piezoelektrischen Körper angebracht werden. Bei einem piezoelektrischen Körper aus Bleititanatzirkonat mit einer Stärke von etwa 120/μπι ergab sich, daß dieser Effekt z. B. mit aufgedampften Goldelektroden 3 und 4 von weniger als l/μηι Stärke verwirklicht werden kann. Es wurde festgestellt, daß die Größe des Außendurchmessers Do (z. B. 6 mm) dabei von wenig Einfluß auf die Grundfrequenz bzw. die Unharmonischen war; das Abschleifen dieses Außendurchmessers bis auf 5 mm führte z. B. zu einer Erhöhung der Grundfrequenz von nur l°/oo. Dieses Abschleifen kann für Trimmzwecke nützlich sein.

Weiterhin kann durch geeignete Wahl des Innendurchmessers Di der Elektrode 3 und/oder 4 erreicht werden, daß die störendste Unharmonische noch stark unterdrückt wird. Für D, wird dazu vorzugsweise ein Wert zwischen 0,3- und 0,5mal dem Außendurchmesser D₀ gewählt; in diesem Falle kann die der Grundfrequenz am nächsten liegende Unharmonische unterdrückt werden. In F i g. 1 ist der Innendurchmesser der scheibenförmigen Signalelektroden 3 und 4 mit D, bezeichnet. Es sei aber bemerkt, daß es gleichgültig ist, ob eine oder beide Signalelektroden 3 und 4 den gestellten Bedingungen entsprechen, da das elektrische Wechselfeld sich praktisch nicht weiter als im Bereich zwischen den beiden Signalelektroden erstreckt. Gewünschtenfalls könnte man auch (z. B. zur obenerwähnten Hervorhebung der Grundschwingung auf Kosten der Unharmonischen durch geeignete Wahl der Stärke der Elektroden 3 und 4) die Elektroden 3 und 4 die ganze Oberfläche 1 bzw. 2 bedecken lassen, jedoch dafür sorgen, daß im piezoelektrischen Körper innerhalb eines Zylinders mit einem Durchmesser D-, keine radiale Polarisation herrscht. In diesem Falle hat der Mittelteil des piezoelektrischen Körpers keinen Anteil an der elektromechanischen Umsetzung; man könnte daher gewünschtenfalls auch von einem ringförmigen piezoelektrischen Körper ausgehen. Durch Nachschleifen des Innendurchmessers eines solchen Ringes kann man die Grundresonanz erhöhen, z. B. beim Trimmen.

Weiter kann man gewünschtenfalls noch andere übliche Maßnahmen zum Unterdrücken unerwünschter Unharmonischen anwenden. So ist es z. B. bekannt, an

geeigneten Stellen eines Vibratorkörpers akustisch dämpfendes Material, z. B. ein Epoxyharz, anzubringen. Im vorliegenden Falle kann z. B. am Außenzylindermantel des piezoelektrischen Körpers Dämpfungsmaterial angebracht werden.

Zur Erzielung der gewünschten radialen Polarisation kann naturgemäß von einem ringförmigen piezoelektrischen Körper ausgegangen werden, wobei zwischen dem Innen- und Außenzylindermantel das betreffende starke elektrische Feld während der vorgeschriebenen Zeit angelegt wird. Auch kann man wie folgt verfahren: ausgehend von einem beträchtlich stärkeren piezoelektrischen Körper als endgültig gewünscht wird, wie in

F i g. 3 dargestellt, wird dieser Körper mit zwei Kreisförmigen Elektroden 8 bzw. 9 auf seinen flachen Stirnflächen und mit einer zylinderförmigen Elektrode 10 an seinem zylinderförmigen Außenmantel versehen. Die Polarisation P kann nun dadurch erhalten werden, daß die Elektroden 8 und 9 elektrisch miteinander verbunden und an der Elektrode 10 eine hohe Spannung gegenüber den durchverbundenen Elektroden 8 und 9 angelegt wird. Anschließend können dann die obere und die untere Fläche bis auf die gewünschte Stärke abgeschliffen werden, so daß im gewünschten Körperteil die erforderliche mehr oder weniger homogene radiale Polarisation P entsteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektromechanische Schwingungsanordnung mit einem polarisierten piezoelektrischen Körper in Form eines flachen, kreisförmigen Ringes oder einer solchen Scheibe, dessen bzw. deren flache Stirnflächen mit Signalelektroden zum Erregen eines axialen Feldes versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Körpermaterial wenigstens zwischen den ein Elektrodenpaar bildenden Signalelektroden in radialer Richtung eine homogene remanente Polarisation aufweist und daß das von den Signalelektroden erregte Feld senkrecht zur remanenten Polarisation steht.

2. Schwingungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser einer Signalelektrode und/oder der Innendurchmesser der radialen remanenten Polarisation zwischen 0,3- und 0,5mal dem jeweiligen Außendurchmesser beträgt