DE1616355B1 - Elektromechanischer Wandler - Google Patents

Description

Ferner ist die Erfindung dadurch weitergebildet, hungen wesentlich oberhalb 20° nimmt der Kopp- <daß die Elektroden die parallelen Kristalloberflächen lungswirkungsgrad bemerkenswert ab, und die ganz oder zum überwiegenden Teil abdecken. Schwingungsform weicht von der reinen Schwingung

Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines in ab. Die angegebene Drehung ist auch ein weitgehender Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels 5 des Optimum dahingehend, daß der Frequenzabstand näher erläutert. In der Zeichnung zeigt zwischen Resonanz und Äntiresonanz groß ist, wo-

Fi g. 1 ein Diagramm zur Erläuterung der erfin- durch ein größerer Betriebsfrequenzbereich ermögdungsgemäßen Orientierung, licht wird.

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Aus- Die hier bevorzugte Orientierung ist im Zusam-

führungsform des Wandlers mit erfindungsgemäfe ισ menhang mit einem plattenförmigen piezoelektriorientierten Kristalloberflächen und hieran befestig- sehen Einkristall beschrieben worden, weil es sich ten Elektroden und hierbei um eine Konfiguration handelt, die für die

Fig. 3 eine Ansicht einer elastische Wellen über- meisten Wandlerformen in Frage kommt. Für diese tragenden Vorrichtung mit einem Wandler nach Zwecke beträgt der Abstand der parallelen Kristall-Fi g. 2. 15 oberflächen bzw. die Dicke der Platte etwa eine halbe

Fig. 1 zeigt die 15° + 5°-Drehung der Kristall- Wellenlänge bei der Mittelfrequenz, d.h., die Dicke oberflächen um die x-Achse aus der xz-Ebene heraus liegt in der Größenordnung von Millimeter oder in die Lage, bei der der LiTaO₃-Kristall die ange- darunter. Die anderen, großen Dimensionen bestimstrebten optimalen Wandlereigenschaften besitzt. Eine men sich allgemein aus konstruktiven Erwägungen, mit zwei parallelen Oberflächen versehene Kristall- 20 beispielsweise auf Grund des gewünschten und/oder platte, die entsprechend dieser Bedingung orientiert zulässigen Widerstandswertes, Kapazitätswertes usw. ist, wird im folgenden als 15° + 5°-jcz-Platte be- der Elektroden. Ein vernünftiges Maß für die Wandzeichnet, lerplatten ist, daß deren große Dimensionen, also

In Fig. 2 ist eine 15°±5°-;cz-Platte 1 aus deren Breite und Länge zumindest das Fünffache der LiTaO₃ zwischen Elektroden 2 und 3 angeordnet, 25 Plattendicke betragen. Allgemeiner gilt jedoch, daß •die nach irgendeiner üblichen Methode aufgebracht, die Ausbreitung der elastischen Wellen, welche entz. B. niedergeschlagen oder aufplattiert sein können. stehen, wenn ein elektrisches Feld in der der Dicken-Solche Elektroden können die gesamten Hauptflächen dimension entsprechenden kristallografischen Richdes Kristalls bedecken (dargestellter Fall) oder aber tung in der 15° ± 5°-xz-Platte erzeugt wird, zu den auch nur ein kleines Gebiet derselben, um uner- 30 angegebenen Vorteilen unabhängig von der Kristallwünschte Kopplungen zu minimalisieren. Der elek- dicke führt. Demgemäß ergibt sich eine Schwingungstrische Anschluß zu den Elektroden erfolgt über Lei- formtrennung zusammen mit einem guten Wirkungster 4 und 5. Der dargestellte Wandler kann als grad und einem breiten Arbeitsfrequenzbereich in Resonator dienen, beispielsweise die Funktion eines einem entsprechend geschnittenen Körper beliebiger Filters oder eines Frequenznormals übernehmen, oder 35 Dicke, solange die Elektroden an den durch die er kann Bestandteil.einer größeren Vorrichtung, bei- Orientierung der 15° + 5°-xz-Platte bestimmten Fläspielsweise einer Verzögerungsleitung sein. chen angeordnet werden oder solange die entspre-

Die Vorrichtung nach F i g. 3 ist eine übliche Ver- chende Scherschwingungsf orm durch irgendwelche zögerungsleitung mit einem Wandler 10, der entspre- Mittel übertragen wird.

chend der Wandlerausführung nach Fig. 2 aus 40 Bei den vorstehend beschriebenen Vorrichtungen einem plattenförmigen piezoelektrischen Einkristall sind Kristallabschnitte vorgesehen, die zwei ebene 11 aus LiTaO₃ mit zwei im Uhrzeigersinn um 10 bis parallele Oberflächen jeweils unter einer der erfin-20° um die x-Achse aus der xz-Ebene herausgedreh- dungsgemäßen Kristallorientierung entsprechenden ten, parallelen Oberflächen und dieser zugeordneten Ausrichtung aufweisen; es sind aber auch andere Elektroden 12 und 13 aufgebaut ist. Die Elektroden 45 Ausführungen möglich, bei denen die angegebene sind über Leiter 14 und 15 an eine nicht dargestellte Orientierung vorgesehen sein kann. Beispielsweise ist Signalquelle angeschlossen. Die durch das elektrische es für die Resonator-Anwendungsfälle üblich, eine Signal erzeugte elastische Welle wird dann in das oder beide der Hauptflächen so mit Konturen zu verakustische Medium 16 eingekoppelt, das aus Quarz, sehen, daß die Wellenbewegung auf einen gewünsch-Glas, Metall oder irgendeinem anderen geeigneten 50 ten Teil der Platte beschränkt wird. Dies kann erMaterial bestehen kann. Für bestimmte Anwendungs- reicht werden durch entsprechendes Abschrägen einer fälle ist es zweckmäßig, auch für das Teil 16 LiTaO₃ oder beider Flächen an den den wirksamen Bereich zu verwenden, da gefunden wurde, daß dieses Mate- umgebenden Randzonen oder — im Extremfall — rial außergewöhnlich dämpfungsarm, insbesondere durch Verwendung einer oder zweier konvexer Fläfür Frequenzen oberhalb 1 MHz, ist. Nach Erreichen 55 chen. Eine weitere Ausführungsform, die gelegentdes anderen Endes des akustischen Mediums 16 wird lieh als Schwingungsformfalle bezeichnet wird, weist die elastische Welle mit Hilfe eines einen gedrehten verdickte Elektroden auf, die nur am gewünschten Einkristallkörpers 21 aufweisenden zweiten Wandlers Teil der Platte befestigt sind. Die Wirkung dieses wieder in ein elektrisches Signal umgesetzt, und die- Aufbaues ist die, die Wellenbewegung auf denjenigen ses Signal wird dann über die angekoppelten Elektro- 60 Teil des Kristalls zu beschränken, der zwischen den den 22 und 23 nebst zugehörigen Anschlußleitungen Elektroden gelegen ist. Demgemäß ist es zur Anwen-24 und 25 angenommen. dung der vorliegenden Erfindung auf eine solche

Es sei betont, daß der angegebene Drehwinkel kri- Ausführungsform nur notwendig, daß jene Obertisch ist. Für Drehungen, die bezüglich der xz-Ebene flächenteile der Hauptflächen, die für die Übertragung wesentlich unterhalb von 10° liegen, erreicht die 65 der elastischen Wellen vorgesehen sind, die angege-Dehnungsschwingungsform meßbare Werte. Für Dre- bene Orientierung besitzen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1 2 kommenen Abschnitten im Kristallziehverfahren gePatentansprüche: züchtet werden. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter

1. Elektromechanischer Wandler in Form eines Verwendung eines Einkristalls aus LiTaO₃ einen piezoelektrischen Einkristalls mit zwei parallelen 5 elektromechanischen Wandler zur Verfügung zu stel-Oberflächen, der aus LiTaO₃ besteht und mit len, der einen hohen Wirkungsgrad bei der Umset-Elektroden zum Erzeugen eines elektrischen FeI- zung zwischen elastischer Energie und elektromagnedes in zumindest einem Teil des Kristalls ver- tischer Energie gewährleistet, und zwar bei Anregung sehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß praktisch ausschließlich einer Scherschwingungsform die parallelen Oberflächen des Kristalls (1, 11, io und vollkommenem Fehlen störender Schwingungs-21) im Uhrzeigersinn um einen Winkel von 10 formen.

bis 20° um die x-Achse aus der xz-Ebene heraus- Der Lösung dieser Aufgabe gingen langwierige und

gedreht sind. schwierige Untersuchungen amLithiumtantalatsystem

2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekenn- voraus, wobei gefunden wurde, daß es eine kritische zeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden 15 Orientierung gibt, die zu einer Optimalisierung der parallelen Oberflächen des Kristalls (1, 11, 21) Eigenschaften eines aus diesem Material hergestellten höchstens gleich einem Fünftel der Breite der Wandlers führt.

Oberfläche ist. LiTaO₃ ist ein trigonaler Kristall der Raumgruppe

3. Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch R3c. Der Einfachheit halber ist es übliche Praxis, gekennzeichnet, daß die Elektroden (2, 3; 12, 13; 20 das System als hexagonal zu beschreiben, wobei drei 22, 23) die parallelen Oberflächen des Kristalls Spiegelebenen statt drei Gleitebenen parallel zur οροί; 11; 21) ganz oder zum überwiegenden Teil sehen Achse vorhanden sind. Die gewählte Nomenabdecken, klatur (s. »Standards on Piezoelectric Crystals« aus

Proc. IRE, Bd. 37, Nr. 12, 1949) beruht auf der Be-25 zeichnung der optischen Achse als die z-Achse und

auf der Bezeichnung der α-Achse G^eder der drei zur

optischen Achse und auch zu den Spiegelebenen senkrechten Achsen) als die Jc-Achse. Die y-Achse ist dann die sowohl auf der x- als auch auf der

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromecha- 30 z-Achse senkrecht stehende Achse. Es ist üblich, eine nischen Wandler in Form eines piezoelektrischen Orientierung, welche keiner der durch die jeweiligen Einkristalls mit zwei parallelen Oberflächen, der aus Koordinatenachsenpaaren definierten Ebenen ent-LiTaO₃ besteht und mit Elektroden zum Erzeugen spricht, als aus derjenigen Ebene herausgedreht zu eines elektrischen Feldes in zumindest einem Teil definieren, welche der gewünschten Orientierung am des Kristalls versehen ist. 35 nächsten Hegt.

Bauteile aus piezoelektrischem Material finden Unter Verwendung dieser Definition besteht die

schon seit langem als Schaltkreiselemente zur Fre- erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe, quenzsteuerung in Filteranordnung für elektromagne- ausgehend von einem elektromechanischen Wandler tische Wellen, in Oszillatoranordnungen und in Ver- der eingangs angegebenen Art, darin, daß die parstärkeranordnungen Verwendung. Aus der britischen 40 allelen Oberflächen des Einkristalls im Uhrzeigersinn Patentschrift 655 073 ist als piezoelektrisches Mate- um einen Winkel von 10 bis 20° um die x-Achse aus rial C₆G₁₄N₂O₆ (Äthylendiamintartrat, ÄDT) be- der jcz-Ebene herausgedreht sind,
kannt. Da ÄDT ein sehr temperaturempfindliches "Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen Orientie-Materiäl ist, lag den aus der obengenannten Druck- rung der parallelen Oberflächen des Einkristalls wird schrift bekannten Maßnahmen die Aufgabe zugrunde, 45 praktisch ausschließlich die Scherschwingungsform für ÄDT-Kristalle Kristallschnitte mit einer abschätz- angeregt, und diese führt zu einem Kopplungskoeffibaren Temperaturstabilität aufzufinden. zienten in der Größenordnung von 45%. Die Scher-

Demgegenüber beruht die Erfindung auf der Ent- schwingungsform zweiter Ordnung und Dehnungsdeckung, daß eine bestimmte Orientierung eines schwingungsform sind beide auf einen Wert reduziert, Lithiumtantalatkristalls sowohl zu einer reinen Scher- 50 der mit üblichen Methoden kaum noch meßbar ist. Schwingungsform als auch zu einem hohen Kopp- Für diese Schwingungsformen kann daher angenomlungswirkungsgrad führt. men werden, daß sie 30 db unterhalb der angeregten

Lithiumtantalat ist in neuerer Zeit bezüglich seiner Schwingungsform liegen. Gleichermaßen wichtig ist piezoelektrischen Eigenschaften und seiner Eigen- der Umstand, daß die vorherrschende Schwingungsschaften gegenüber elastischen Wellen untersucht 55 form rein ist. Es ist leicht einzusehen, daß bei Verworden (76, Physical Review, 1886, 12/15/49). Das wendung einer solchen Orientierung in dem elektrobesondere Interesse an Lithiumtantalat zur Verwen- mechanischen Wandler gewährleistet ist, daß eine dung in einem elektromechanischen Wandler ist ins- wirksame Umsetzung zwischen elastischer Energie besondere auf den gerichtetenKopplungskoeffizienten und elektromagnetischer Energie stattfindet, und von 40% oder mehr und auf seine außergewöhnlich 60 zwar bei praktisch vollkommenem Fehlen störender hohen elastischen ß-Werte innerhalb eines Frequenz- Schwingungsformen. Bei dieser Orientierung für den bereiches, der sich weit in den Megahertzbereich er- aus LiTaO₃ bestehenden Einkristall wird folglich eine streckt (s. 48, Journal of the American Ceramic Optimalisierung der Wandlereigenschaften dieses Society, 112 [1965]), gerichtet. Materials erreicht.

Des weiteren ist dieses Material dafür bekannt, 65 Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung weitere wünschenswerte Eigenschaften zu besitzen, besteht darin, daß der Abstand zwischen den parwie z. B. physikalische und chemische Beständigkeit. allelen Kristalloberflächen höchstens gleich einem Außerdem kann LiTaO₃ in großen, praktisch voll- Fünftel der Breite der Oberflächen ist.