DE1591330B2 - Piezoelektrischer biegeschwinger - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen ütabförmigen Biegeschwinger mit Rechleckqticrschnitt, bei dem in Stablängsrichtung auf einander gegenüberliegenden Seitenflächen zwei Reihen quer zur Stablängsrichtung ausgerichteter Elektrodenstreifen angeordnet sind, bei dem die in Stablängsrichtung verlaufenden Polarisierungsfelder zwischen den Elektrodenpaaren einer jeden Reihe jeweils für benachbarte Elektrodenpaare einer jeden Reihe und für gleichliegende Elektrodenpaare in beiden Reihen jeweils entgegengesetzt gerichtet sind und bei dem die Erreaiinßsfelder jeweils für gleichliegende P.lcktrodenpnare der beiden Reihen gleichphasig, jedoch für benachbarte Elektrodenpaare innerhalb einer Reihe gegenphasig sind.

Anwendungsgebiet der Erfindung sind keramische Resonatoren.

Die relative Bandbreite (das Verhältnis der Bandbreite zur Mittenfrequenz des Durchlaßbandes) eines keramischen Filters hängt im wesentlichen von dem Kapazitätsverhältnis des benutzten Resonators ab. Das Kapazitätsverhältnis ist das Verhältnis der Parallelkapazität zu der Reihenkapazität im Ersatzschallbild des Resonators. Für ein breitbandiges Niederfrequenzfilter benötigt man also einen keramischen Resonator mit kleinem Kapazitätsverhältnis.

für eine solche Verwendung sind bereits Biegeschwinger mit zwei Elektrodenpaaren bekannt, wobei jeweils die Elektroden eines Paares einander gegenüberstehend in Längsrichtung auf die Längsbreitseiten des Resonators aufgebracht sind (vgl. »Journal of the Institute of the Electrical Communication Engineers of Japan«, Bd. 37. Nr. II, S. 38). Breite und Länge jeder Elektrode betragen etwa ein Drittel der Breite und etwa W)¹Vn der Länge des Resonators 1. Dieser Resonator arbeitet unter Ausnutzung des piezoelektrischen Transversaleffekts. Nach dem obengenannten Aufsatz kacn das Kapazitätsverhältnis diese-Resonators herabgesetzt werden, wenn man aen Transversaleffekt in Längsrichtung ausnutzt. Doch auch wenn der Resonator mit einem Blei-Thanat-Zirkonat-Element aufgebaut ist. kann das Kapa zitätsverhähnis nicht unter einen Wert von 13 und die relative Bandbreite nicht über einen Wert von 10"» verbessert werden.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 200 819 ist ein Biegeschwinger der eingangs genannten Art bekannt, bei dem die Elektrodenstreifcn auf die Längsbreitseiten gelegt sind. Man erhält mit dieser Anordnung eine Biegeschwingung in der Ebene der Längsschmalseite. Außerdem trägt nur ein vergleichsweise dünner Obciflächcnbereich zu dem piezoelektrischen Effekt bei, so daß die Ausnutzung des piezoelektrischen Elements vergleichsweise gering ist. Da die Resonanzfrequenz etwa der Dicke des Elements umgekehrt proportional ist, arbeitet das Element bei kleiner Resonanzfrequenz und entsprechend großer Dicke ungünstig, weil mit zunehmender Dicke die Verluste größer werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines keramischen Nicderfrcquenz-Breitbandfiltcrs mit möglichst hoher Resonanzfrequenz und mit möglichst ^v~»ilständiger Ausnutzung des piezoelektrischen Elements.

Dies? Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daii die Elektrodcnstreifen gabelförmig ausgebildet sind und jeweils mit ihren Scheitelabschnitten die Längsschmalseiten des Biegeschwingers überspannen und mit den beiden Gabclschenkcln über weniger als die halbe Breite der beiden Längsbreitseiten reichen. Damit werden die Vorteile erzielt, daß der piezoelektrische Effekt innerhalb eines großen Querschnittsbcrcichs ausgenutzt werden kann, weil die gabelförmigen Elektroden einen großen Anteil des Querschnitts des Schwingerclcments umfassen. Man erreicht als weiteren Vorteil sehr kleine Resonanzfrequenzen, weil die Breite des Schwingerelements groß gemacht werden kann, ohne daß die Ausnutzung und der Wirkungsgrad des Schwingerelements abnehmen wurden. Als weiteren Vorteil erhält man ein sehr günstiges

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Kapazitiitsverhältnis, weil die Dicke des Resonator- folgt, Innerhalb der grjg^^

elements klein gemacht werden kann. In weiterer Aus- hingegen das Erregungsiein ^h t> b _Resona-

gestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die risierungsrichtung »"^"^„^„,engezogen wird.

Länge der Gabelschenkel der Elektroden etwa ein torstab »n diesem Bereich zusamn. iife. _. b ..

Drittel der Breite des Resonators ausmacht, Durch 5 Infolge der mechanischen

diese Bemessung der Gabelschenkel erreicht man be- 25 bildet sich damit eine B ^^nwl"^ ^fc _{di u}

sonders vorteilhafte Erregungsverhältnisse. zur Stablängsachse innerhalb der durcn ι- j,

In weiterer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß brejtseiten 22 festg eleg ten &Den ca . _Verbesserun

die Elektrodenreihen etwa fi0n/„ der Gesamtlänge des Versuche haben .ergeben, ua u _Elektro.

Resonators bedecken. Dieses wirkt sich vorteilhaft w des Kapazitatsverha tnisM» 0^a^ " _{fe)d des Re}.

auf die Erregungsverhältnisse aus. denreihen 24 und M^g _{wie das} entin weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vor- sonators nach der Erhndunfe gi _{to kö lichen}

geschlagen, daß d« Schenkelbreite jeder Elektrode sprechende Erregung^feld^ be . _einze)nen

zwischen der Hälfte und dem vollen Betrag der Dicke Transversal ffJ^JJ^™ „ _Elektroden senk-

zwischen der Hälfte und dem vollen Betrag der Dicke Tra ^ _{Elektroden senk}.

des Resonators liegt. Hierdurch erhält man vorteil- 15 erweist sich fu[^J^^m£_{e Länge} von einem

hafte Größen für die Streukapazität. recht zur Stablengsr'^cJ^tu"f ^ein^, J _{als vorteil}.

i i Atlt d Efid id or Drittel der Breite des R«n^™^

hafte Größen für die Streukapazität. recht z gJf ^, J _{als vorteil}.

in weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vor- Drittel der Breite des R«n^™^feldes soll etwa

geschlagen, daß der gegenseitige axiale Abstand be- halt. Die ax.ale Lange des brregu1 fe

Shb ElkdVh 'l d Dlt d 60·/. der Gesamt ange des Re^on^tostora^

geschlagen, daß der gegenseitige axiale Ab

Sachbarter ElektrodeVmehr 'als das Doppelte der 60·/. der Gesamt ange des Re^on^tostora^ ^

Sch'-nkelbreite einer Elektrode beträgt. Auch dieses *o Abmessungen und S«-^".-,¹¹^ streukapa-

fc für die Bemessung der Streukpazität vorteil »roden werden ^^^^^Γ l Lt

Schnkelbreite einer Elektrode beträgt. Au ^.,^ streukapa

fc₍ für die Bemessung der Streuk-pazität vorteil- »roden werden ^^^^^,Γ festgelegt. Lt

Schließlich wird in weiterer Ausgestaltung der Er- Grund von Versuchen ergibt^h, ,me Brei« dc, findung vorgeschlagen, daß der Querabstand zwi- Elektrodenschenkel von der^Hal l .

h den Anregungsfe.dern der beiden Elektroden a₅ Dicke des *—" f ^'^]' tu 'id^

findung vorgeschlagen, daß der Querabstand zwi ^

chcn den Anregungsfe.dern der beiden Elektroden- a₅ Dicke des *—" f ^₀'^]' tu 'minde^ns

reihen mindestens das Doppelte des Längsabstande, Abstand zwischen d^n J^™^ _{sein; und der}

.wischen jeweils benachbarten Elektroden einer doppe t so groß w e_d,e genannu υ _soU

Reihe ausmacht. Durch diese Bemessung erre.cht Querabstand w sei™ den £.«

_man einen vorteilhaften Einfluß auf das Kapazitäts- ^^^^^^"^troden sein^amit

^Ätaiger Biegeschwinger 21 mit Rechteck- die Verkleinerung^^^^ΣΖ

querschnitt dient als Resonator. In Richtung der Stab- in ungünstiger Wc beeinflußtjvua ^

längsachse sind zwei Reihen gabelförm.ger Elektro- der Resonato so d nn *^{IC m}°8 . „ '_{crhähnis er}.

denstreifen 24 und 24' einander gegenüberstehend einen Resonator m.t kleinem Kapazu

angeordnet. Jeweils die Scheitelabschnitte der; Elek- 35 hält. Versuchsreihen ist die Re-

trodenstreifen überspannen die Langsschmalseiten 23 Nach durchgerunrien _Erfincl_u,m

und 23' des Resonators. Die Gabelschenkel der Elek- sonanzfrequenz des Resona ™ nau-j _:

trodenstreifen reichen über weniger als die halbe etwa der B«,te proper .onal und J^ hrt_propc r_

Breite der Längsbreitseiten 22. Die beiden Reihe,. lonal der 2 Potc:nz Jr Lanfec _ierkömmli.

der Elektrodenstreifen 24 und 24' liegen symmetrisch 40 haltnis ist ^mcr^_f "j'^sonator da der piezoelek-

zur Stablängsachse des Resonatorelements 21. chcn ^Tr,^ansvc _f ^rs^^f _q ^f J/"^"""^d, ewcrtel wird Da die

Die Polarisicrung des Resonators erfolgt so, daß tnsche Longitud.nalef ckJ ^^,J ™ _bereichs

die Bereiche jeweils zwischen einem Elektrodenpaar mechanische Kopplung inntrhalb oes ,Mine

einer Reihe abwechselnd in positiver bzw. negativer groß ist, ergibt »«J.='"««"" K⁰P «^c^^_:

Richtung gepolt sind. Die Pfeile 25 geben die Polari- 45 Das Kapazit atsverhatn ^^^^~^. 5.4 bei

sierungsrichtung an. Die Polarisierungsrichtung ist tors aus Β^|ει-^Γ|^"^^ΙΓΗ""^ "^r,12 mm und

danach jeweils !wischen gleichliegenden Elektroden- einer Lange von 28 ™·"™!?™*™^ _cnkcUängc

paaren in beiden Reihen entgegengesetzt. Das Erre- ^-J*™^'^ S mm und 4 mm

gunjsfcld ist zwischen benachbarten Elektroden einer der Elektroden ^traten _}χλ _d „_cnsei.

jede^ön Reihe gegenphasig; gleichliegende Elektroden- 50 (ein D"»!'^^^^ ί , eSb e-

paare der beiden Reihen haben ein gleichphasiges br- t.ge Abstand znv.J^^c" ^d.^cn ^¹£^tr Anreeuncsfcld cr-

ügungsfeld. Das Erregungsfeld ist durch die Pfeile 26 der ReH« ^»J ^eTnlrs über

J^

Dehnung in Längsrichtung des Resonatorstabes er- ein Kapazitätsverhältnis von 13.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer stabförmig Biegeschwinger mit Rechteckquerschnitt, bei dem in Stablängsrichtung auf einander gegenüberliegenden Seitenflächen zwei Reihen quer zur Stabrangsrichtung ausgerichteter Elektrodenstreifen angeordnet sind, bei dem die in Stablängsrichtung verlaufenden Polarisierungsfelder zwischen den Eleklrodenpaaren einer jeden Reihe jeweils für benachbarte Elektrodenpaare einer jeden Reihe und für gleichliegende Elektrodenpaare in beiden Reihen jeweils entgegengesetzt gerichtet sind und bei dem die Erregungsfelder jeweils für gleichliegende Elektrodenpaare der beiden Reihen gleichphasig jedoch für benachbarte Elektrodenpaare innerhalb einer Reihe gegenphasig sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenstreifen (24, 24') gabelförmig ausgebildet sind und jeweils Hiil ihren Scheitelabschnitten die Längsschmalseilen (23, 23') des Biegeschwingers überspannen und mit den beiden Gabelschenkeln über weniger »ls die halbe Breite der beiden Längsbreitseiten (22) reichen.

2. Biegeschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Gabelschenkel tier Elektroden (24, 24') etwa ein Drittel der Breite des Resonators (21) ausmacht.

3. Biegeschwinger nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß dii Elektrodenreihen etwa 60ⁿ ο der Gesamtlär.ge des Resonators (21) bedecken.

4. Biegeschwinger nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Schenkelbreite jeder Elektrode zwischen der Hälfte und dem vollen Betrag der Dicke des Resonators liegt.

5. Biegeschwinger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige axiale Abstand benachbarter Elektroden mehr als das Doppelte der Schenkelbreite einer Elektrode beträgt.

6. Biegeschwinger nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Querabstand zwischen den Anregungsfeldern der beiden Elektrodenreihen mindestens das Doppelte des Längsabstandes zwischen jeweils benachbarten Elektroden einer Reihe ausmacht.

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