DE1616505C - Piezoelectric transmission element - Google Patents
Piezoelectric transmission elementInfo
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Description
3 43 4
auf seinen beiden Seiten einander gegenüberliegenden dahingehend definieren, daß entsprechend der UmElektroden zu polarisieren. Die Ringelektrode kann fangsform des Resonanzkörpers alle lateralen Schwinauch am Rande des scheibenförmigen Resonanz- gungsmoden zu einer einzigen Umfangsdehnungskörpers angeordnet sein, um die vollständige radiale schwingung verschmelzen, deren ~ Resonanzfrequenz Vorpolarisation zu erleichtern, und mit über die 5 durch die planaren Abmessungen des Resonanz-Scheibe greifenden Teilen versehen sein, um einen körpers gegeben ist." ' -■'-.■"· - ::-o-■·■ :-/^--·ι--;-k-^--A-·. ./■:., Löscheffekt zu verhindern. Die radiale Schwingungsrichtung, die für Resonator-define on its two sides opposite to each other in such a way that corresponding to polarize the electrodes. The ring electrode can catch the shape of the resonance body, all lateral vibrations also be arranged at the edge of the disk-shaped resonance modes to form a single circumferential expansion body, in order to merge the complete radial vibration, to facilitate its ~ resonance frequency pre-polarization, and with over the 5 through the planar dimensions of the resonance disk gripping parts be provided to a body is given. "'- ■' -. ■" · - :: -o- ■ · ■ : - / ^ - · ι - ; -k - ^ - A- ·. ./■:. To prevent extinguishing effect. The radial direction of oscillation, which is necessary for resonator
Schließlich ist es durch Hinzufügung je einer körper gemäß der Erfindung wesentlich ist, existiert weiteren konzentrisch zu der kreisförmigen Elektrode als isolierte Schwingungsform weder in Quarz; noch und außerhalb von ihr angeordneten Ringelektrode io selbst in Einzelkristallen eines ferroelektrischen Maauf jeder Seite des in radialer Richtung polarisierten terials. ^ ■■:·■■■ '■ ■■'■ > : -ν ί ; =: £; · ; Resonanzkörpers möglich, eine Impedanzwandlung Ein Kennzeichen der vorpolarisierten ferroelek-: und Spannungserhöhung zu erreichen. irischen Keramiken ist das »Altern« der elektro-Finally, by adding one body according to the invention, it is essential that there is further concentric to the circular electrode as an isolated waveform neither in quartz; still and outside of it arranged ring electrode io itself in single crystals of a ferroelectric measure on each side of the material polarized in the radial direction. ^ ■■: · ■■■ '■ ■■' ■ >: -ν ί ; =: £ ; ·; Resonance body possible, an impedance conversion A characteristic of the pre-polarized ferroelec-: and voltage increase. Irish ceramics is the "aging" of electrical
Im folgenden wird die Erfindung an Hand der mechanischen Kopplung und die langsame Verände-In the following, the invention is based on the mechanical coupling and the slow change
Figuren beschrieben. 15 rung anderer Eigenschaften, z.B. der Dielektrizitäts-Figures described. 15 other properties, e.g. the dielectric
F ig. 1 ist eine Draufsicht auf ein piezoelektrisches konstante und der Frequenzkonstante mit der ZeitFig. 1 is a plan view of a piezoelectric constant and the frequency constant with time
Ubertragerelement gemäß der Erfindung; und/oder der Temperatur. Da die EmpfänglichkeitTransfer element according to the invention; and / or the temperature. As receptivity
Fig. 2 ist ein Schnitt entlang der Linie 2-2 der für. das Altern und die Temperaturabhängigkeit der·Fig. 2 is a section along line 2-2 of the for. the aging and temperature dependence of
F i g. 1; Eigenschaften unterschiedlich ist, werden stabilereF i g. 1; Properties is different, will be more stable
F i g. 3 ist eine das Resonatorelement der F i g. 1 20 Materialien wie die Bleititan-Zirkonate vorgezogen.F i g. 3 is the resonator element of FIG. 1 to 20 materials such as lead titanium zirconate preferred.
und 2 enthaltende Prüfschaltung; Die Scheibe 12 sowie alle anderen in denand test circuit including 2; The disc 12 as well as all the others in the
t) F i g. 4 ist ein der F i g. 2 ähnlicher Schnitt durch Figuren dargestellten Resonanzkörper sind stark t) F i g. 4 is one of the F i g. 2 similar section through figures shown resonating bodies are strong
ein anderes Ausführungsheispiel; vergrößert gegenüber ihrer wahren Größe abgebildet.another embodiment; shown enlarged compared to their true size.
F i g. 5, 6 und 7 sind den Fig. 1, 2 und 3 ent- Ihre Größe hangt von der gewünschten Arbeitssprechende Darstellungen eines anderen Ausführungs- 25 frequenz ab, d. h., die Scheibe wird so dimensioniert, beispiels; daß die Resonanz der radialen Schwingungsform bei ' jf i g. 8 zeigt die Verteilung der radialen und tangen- einer vorgewählten Frequenz liegt. Wenn die Scheibe tialen Spannung in einem in radialer Richtung mit beispielsweise als Filter für Zwischenfrequenzen (etwa : der Grund-und der ersten Oberfrequenz schwingenden 455 bis 465 kHz) ausgelegt ist und bei ihrer Grund-Übertragerelement; 30 resonanz betrieben werdensoll, dann ist sie sehr kleinF i g. 5, 6 and 7 correspond to FIGS. 1, 2 and 3 - their size depends on the desired work spokesperson Representations of a different execution frequency from, i. i.e. the pane is dimensioned in such a way example; that the resonance of the radial waveform at 'jf i g. 8 shows the distribution of the radial and tangentials of a preselected frequency. When the disc tial tension in a radial direction with, for example, as a filter for intermediate frequencies (such as: the fundamental and the first upper frequency oscillating 455 to 465 kHz) is designed and at their basic transmitter element; 30 resonance is to be operated, then it is very small
F i g. 9 zeigt die Durchlaßcharakteristik eines und hat einen Durchmesser von etwa 4,7 mm. WennF i g. 9 shows the transmission characteristic of a and has a diameter of about 4.7 mm. When
Filters gemäß der Erfindung. . man die Scheibe dabei dünn im Vergleich zu ihremFilters according to the invention. . making the slice thin compared to hers
Die F i g. 1 und 2 zeigen ein piezoelektrisches Durchmesser macht, dann kann die Resonanzfre-The F i g. 1 and 2 show a piezoelectric diameter power, then the resonance frequency
Übertragerelement 10 gemäß der Erfindung mit quenz wie im Fall einer unendlich dünnen ScheibeTransmitter element 10 according to the invention with frequency as in the case of an infinitely thin disc
einem scheibenförmigen oder plattenförmigen Reso- 35 als . Funktion des Durchmessers allein betrachteta disc-shaped or plate-shaped reso 35 as. Function of the diameter considered alone
nanzkörper 12 (der im folgenden als Scheibe be- werden. Ist jedoch eine geringe Ausdehnung nichtnanzkörper 12 (which will be called a disc in the following. However, it is not a small extension
zeichnet wird) aus einem ferroelektrischen poly- der einzige Gesichtspunkt, dann ist es günstiger, dieis drawn) from a ferroelectric poly- the only point of view then it is cheaper that
kristallinen keramischen Material, der mit Elektroden Scheibe für einen Betrieb in der ersten oder zweitencrystalline ceramic material with electrodes disc for operation in the first or second
versehen ist, welche hier von je einer zentralen Elek- Querschwingung zu dimensionieren, so daß größere 'is provided, which are to be dimensioned here by a central electrical transverse oscillation, so that larger '
trode 14, 16 kleinen Durchmessers und je einer 4° Scheiben möglich sind. Besitzt eine dünne Scheibetrode 14, 16 small diameter and one 4 ° discs each are possible. Has a thin slice
konzentrischen Ringelektrode 18, 20 auf jeder Seite mit einer Grundfrequenz von etwa 180 kHz eine ersteconcentric ring electrode 18, 20 on each side with a fundamental frequency of about 180 kHz a first
der Scheibe gebildet werden. Oberschwingung im Zwischenfrequenzbereich (etwaof the disc. Harmonics in the intermediate frequency range (approx
Das Material, aus dem die Scheibe 12 oder die 455 kHz), dann erhält'sie einen Durchmesser von
anderen, weiter unten dargestellten Resonanzkörper annähernd 12,5 mm. Eine'Scheibe, die bei einer Oberbestehen,
kann eine ferroelektrische poly kristalline 45 schwingung von niedriger Ordnung (1. oder 2.) bekeramische
Zusammensetzung sein. Beispiele für trieben wird, hat zusätzlich zu der bequemen Größe
geeignete Stoffe sind Bariumtitanat, Bleizirkonat- im Zwischenfrequenzbereich weitere Vorteile, die
titanat oder ihre Modifikationen. Allgemein umfassen noch erläutert werden.: :^,y::;;;*rL:;. ,: .
die hier betrachteten ferroelektrischen Keramiken Der Resonanzkörper kann mit Hilfe irgendeines
bis zur Sinterung gebrannte polykristalline keramische 5° · bekannten Verfahrens hergestellt- werden, indem sie
Stoffe, welche sich durch elektrostatische Felder z. B. durch Pressen, Strangpressen oder Streckgießen
polarisieren lassen und dadurch piezoelektrische zunächst auf eine Übergröße gebracht und dann nach
Eigenschaften erhalten, die nach der Entfernung des dem Brennen durch Schleifen und Polieren fertig-Feldes
erhalten bleiben. Solche Keramiken weisen gestellt wird. Die rohe Scheibe kann aber auch von
gewöhnlich eine Perovskit-Kristallstruktur auf und 55 einem zylindrischen Stück aus gebrannter Keramik
sind piezoelektrisch wirksamer als die meisten natür- abgeschnitten werden. . .,-;'
liehen piezoelektrischen Kristalle. Bei geeigneter Vor- Bei dem in den' F i g) 1 und 2 dargestellten Auspolarisation
sind insbesondere bei den Bleititanzirko- führungsbeispiel ist die Scheibe.12 in den Bereichen
naten remanente elektromechanische Kopplungen von zwischen den entgegengesetzten Elektroden 14, 16
50°/0 oder mehr in der ebenen oder radialen Schwin- 60 und 18, 20 in axialer Richtung ,vörpolarisiert,, was
gungsrichtung nicht ungewöhnlich. Weiterhin sind im durch die doppelköpfigenv Pfeile-30 angedeutet ist.
Gegensatz zu den meisten piezoelektrischen Kristallen Das kann z. B. auf die folgende. Art erreicht werden:
alle ferroelektrischen keramischen Stoffe in einer zur Zunächst werden die Elektroden 14, 16 und 18, 20,
Polarisationsachse oder -richtung senkrechten Ebene die aus aufgebranntem oder luftgetrocknetem Silber
isotrop. Resonanzkörper aus einem solchen kera- 65 od. dgl. bestehen können, aufgebracht. Danach wermischen
Stoff weisen daher axiale oder Dicken- und den Zuführungen 22, 24, 26 und 28 angelötet oder
radiale oder Umfangsdehnungsschwingungsformen irgendwie anders an je einer Elektrode befestigt, und
auf. Die Umfangsdehnungsschwingung läßt sich dabei anschließend werden die Zuführungen auf der einenThe material from which the disc 12 or the 455 kHz) then has a diameter of other, further below shown sound box approximately 12.5 mm. A disk that exists at a top may be a ferroelectric poly crystalline vibration of low order (1st or 2nd) ceramic composition. Examples of drifting has, in addition to the convenient size, suitable substances are barium titanate, lead zirconate - in the intermediate frequency range, further advantages, the titanate or their modifications. ;: ;;; * rL: General be explained comprise .:: ^ y. ,:.
the ferroelectric ceramics considered here. B. polarize by pressing, extrusion or stretch casting and thereby piezoelectric initially brought to an oversize and then obtained according to properties that are retained after the removal of the firing by grinding and polishing finished field. Such ceramics are made. The raw disc can, however, also be cut off from the usual perovskite crystal structure and a cylindrical piece of fired ceramic are piezoelectrically more effective than most natural ones. . ., -; '
borrowed piezoelectric crystals. With a suitable forward at the g in the 'F i Auspolarisation shown) 1 and 2 are in particular in the Bleititanzirko- guide for the Scheibe.12 is in the fields of naten remanent electromechanical coupling of between the opposite electrodes 14, 16 to 50 ° / 0 or more in the plane or radial oscillation 60 and 18, 20 in the axial direction, pre-polarized , which direction of movement is not unusual. Furthermore, arrows -30 are indicated in by the double-headed v . Unlike most piezoelectric crystals. B. on the following. Type can be achieved: all ferroelectric ceramic materials in one to the First, the electrodes 14, 16 and 18, 20, polarization axis or direction perpendicular to the plane made of burned-on or air-dried silver are isotropic. Sound box made of such a kera- 65 or the like. Can be applied. Afterwards who mix substance therefore have axial or thickness and the leads 22, 24, 26 and 28 soldered or radial or circumferential expansion oscillation forms somehow differently attached to each one electrode, and on. The circumferential expansion vibration can then be the feeds on the one
5 65 6
Seite der Scheibe 12 mit dem einen Pol einer hohen der Schaltung nach der F i g. 3 mit Hilfe der folgendenSide of the disk 12 with the one pole of a high of the circuit according to FIG. 3 using the following
Gleichspannungsquelle (nicht dargestellt) und die Widerstandswerte ermittelt.DC voltage source (not shown) and the resistance values determined.
Zuführungen auf der anderen Seite der Scheibe mit ·Feeds on the other side of the disc with
dem anderen Pol dieser Quelle "verbunden. Die Feld- Widerstand 33 .'. 1000 Ohmthe other pole of this source "connected. The field resistance 33. '. 1000 ohms
stärke; die Dauer und die anderen Bedingungen wer- 5· Widerstand 35 1000 Ohmstrength; the duration and other conditions are 5 · Resistance 35 1000 Ohm
den dabei in bekannter Weise dem besonderen kerä- Widerstand 37.. .'. '..·. 5000 Ohm. -the special kerä resistance 37 ... '. '.. ·. 5000 ohms. -
mischen Material angepaßt. ;: s":/; ;v;'" :, '/ ';- "."'., : mix material adapted. ;: s ": /;; v; '":,' / '; - "."'., :
In den Fig. 1 und 2 stimmen die mittlere Elek- -Die Wirkungsweise des Übertragerelements 10 ist trode 14 und die konzentrische Ringelektrode 18 auf wie folgt: Wenn die Scheibe 12 für Grund- und Oberdereinen Seite der Scheibe 12 in ihrer Stellung und in ίο resonanz in einer radialen Schwingungsform bei der ihrem Flächeninhalt mit den entsprechenden Elek- Mittelfrequenz des Durchlaßbereichs oder bei einer troden 16 und 20 auf der anderen Seite überein und in der Nähe derselben liegenden Frequenz dimen-' stehen ihnen direkt gegenüber. Die. Fläche und die . sioniert ist, dann rufen Wechselspannungssignale Stellung der Elektroden ist wichtig. Weil sich derartige außerhalb des Durchlaßbereiches keine oder nur eine Zusammenhänge für verschiedene Ausführungsbei- -15 geringe Wirkung in der Scheibe 12 hervor und werden spiele jedoch allgemein zusammenfassen lassen und daher geschwächt. Frequenzen innerhalb des Durcheng mit der Wirkungsweise der Resonatorkörper ver- laßbereiches jedoch versetzen die Scheibe 12 in starke ,knüpft sind, werden weitere Einzelheiten erst weiter radiale Schwingungen bei ihrer Eigenfrequenz (Grunduntenangegeben. . ' oder Oberfrequenz). Bei Anwendungen im Zwischen-.In Figs. 1 and 2, the middle elec- The mode of operation of the transmitter element 10 is correct trode 14 and the concentric ring electrode 18 on as follows: If the disc 12 for basic and upper ones Side of the disc 12 in their position and in ίο resonance in a radial oscillation form in the their area with the corresponding elec- Center frequency of the pass band or at a Trodes 16 and 20 on the other side match and are close to the same frequency. face them directly. The. Area and the. sioned, then call alternating voltage signals Position of the electrodes is important. Because such outside of the pass band no or only one Correlations for different execution cases -15 little effect in the disc 12 emerge and become However, games can be summarized in general and therefore weakened. Frequencies within the pass with the way in which the resonator body works, however, the exit area puts the disk 12 in a strong position , are linked, further details are only given further radial vibrations at their natural frequency (basic below. . 'or harmonic frequency). For applications in the interim.
Es sei an dieser Stelle noch bemerkt, daß der Aus- 20 frequenzbereich sorgt die breite Trennung der Sumdruck »konzentrische Ringelektrode« auf die allge- men- und Differenzfrequenzen dafür, daß das Übermeine Lage der Elektrode 18 hinweisen soll. Diese tragerelement nur bei den gewünschten Oberschwin-Elektrode muß dagegen nicht kontinuierlich sein und gungen erregt wird.It should be noted at this point that the output frequency range provides the broad separation of the sum pressure "Concentric ring electrode" on the general and differential frequencies so that the overlying position of the electrode 18 should indicate. This support element only applies to the desired harmonic electrode however, it does not have to be continuous and stimulated.
die mittlere Elektrode 14 völlig umgeben,' sondern Die radiale Schwingung der Scheibe 12 erzeugt eine es genügt, wenn die Elektrode 18 etwa die Form eines 25 piezoelektrische Wechselspannung bei der Mitten-the middle electrode 14 completely surround, 'but the radial oscillation of the disc 12 generates a it is sufficient if the electrode 18 has approximately the shape of a piezoelectric alternating voltage at the center
C aufweist. Dadurch wird die Durchführbarkeit der frequenz oder einer in der Nähe derselben liegendenC. This makes the feasibility of the frequency or one close to it
Erfindung nicht beeinträchtigt. '_.."" Frequenzen. Diese Wechselspannung erscheint anInvention not affected. '_ .. "" frequencies. This alternating voltage appears
ReSofiatorkörper gemäß der ".Erfindung können den mittleren Elektroden 14, 16. Durch geeigneteReSofiator body according to the ". Invention can the central electrodes 14, 16. By suitable
einzeln oder in Gruppen und allein oder in Ver- Anordnung und Dimensionierung der Elektroden bindung mit den üblichen elektrischen Schaltelementen 30 kann man eine günstige Impedanzwandlung' undindividually or in groups and alone or in a configuration and dimensioning of the electrodes Connection with the usual electrical switching elements 30 can be a favorable impedance conversion 'and
in den bekannten Schaltungen verwendet werden. Da damit eine Spannungserhöhung der durchgehendencan be used in the known circuits. Since this increases the voltage of the continuous
die besondere Schalttechnik nicht zur Erfindung ge- Frequenzen erreichen. ; the special switching technology does not reach frequencies for the invention. ;
hört, wird eine spezielle Schaltung und ihr Betrieb Die Scheibe 12 hat übereinstimmende Elektroden-hears a special circuit and its operation The disc 12 has matching electrodes
an Hand einer Prüfschaltung beschrieben, die man paare 14, 16 und 18, 20 und ist nur zwischen den zur Messung der Charakteristiken der Resonatoren 35 Elektrodenpaaren polarisiert. Ähnliche Ergebnissedescribed on the basis of a test circuit, which one pairs 14, 16 and 18, 20 and is only between the polarized electrode pairs for measuring the characteristics of the resonators 35. Similar results
verwenden kann (F ig.'3). " kann man aber auch mit einer abgewandelten Elek-can use (Fig. 3). "but you can also use a modified elec-
In der Fig. 3 führt ein Generator 32 dem Reso- trodenanordnung erreichen, wie sie an Hand desIn FIG. 3, a generator 32 leads the electrode arrangement to be achieved, as shown on the basis of the
nator 10 ein Eingangssignal von beliebiger Frequenz Übertragerelements 10 a der F i g. 4 dargestellt ist.nator 10 an input signal of any frequency transmitter element 10 a of FIG. 4 is shown.
zu. Bei einer wirklichen Anwendung könnte dieses Das Übertragerelement 10a enthält eine Scheibe 12a Eingangssignal z. B. in einer Mischstufe oder in einer 40 aus ferroelektrischer Keramik, welche über ihrento. In a real application this could be The transmitter element 10a includes a disk 12a Input signal z. B. in a mixing stage or in a 40 made of ferroelectric ceramic, which over their
Zwischenfrequenzverstärkerstufe eines Zwischenfre- ganzen Querschnitt in axialer Richtung polarisiertIntermediate frequency amplifier stage of an intermediate frequency polarized whole cross section in the axial direction
quenzempfängers entstehen. . . ist. Es besitzt nur drei Elektroden: eine mittlerequenzempfänger arise. . . is. It only has three electrodes: a middle one
Wie die F i g. 3 zeigt, dient ein Voltmeter V{ zur Elektrode 14 und eine konzentrische Ringelektrode 18 Anzeige der an einem Widerstand 33 liegenden Ein- auf der einen Seite der Scheibe, die den entsprechend gangsspannung und ein Voltmeter V0 zur Anzeige 45 bezifferten Elektroden des zuerst beschriebenen Ausder an einem Widerstand 35 liegenden Ausgangs- f ührungsbeispiels gleich sind, und eine Elektrode 16a, spannung. Ein Endpunkt des Generators 32 und beide welche die ganze andere Seite der Scheibe oder Elektroden (z. B. 16 und 20) auf der einen Seite der wenigstens den größten Teil davon bedeckt. Die Scheibe sind geerdet. Der andere Endpunkt des Polarisation kann man erreichen, indem man beide Generators 32 ist über den Widerstand 37 mit der 50 Seiten der Scheibe 12 a vollständig mit Elektroden konzentrischen Elektrode 18 auf der anderen Seite bedeckt. Danach werden entweder die Polarisationsder Scheibe und über die in Serie liegenden Wider- elektroden entfernt und neue Elektroden aufgesetzt, stände 37 und 33 mit'der Erde verbunden. Die Elek- oder die Polarisationselektroden werden in betrode 14 liegt über den Widerstand 35 an Erde. stimmten Gebieten entfernt, um die gewünschte "Abs der F i g. 3 ist ersichtlich, daß die Eingangs- 55 Form der Betriebselektroden zu erhalten. Die Fläche spannung zwischen den konzentrischen Elektroden 18 _ der Elektrode 16 a sollte mindestens gleich der Summe und 20 des Resonanzkörpers 10 anliegt, während das der Flächen der Elektroden 14 und 18 sein und den Ausgangssignal von den mittleren Elektroden 14 Elektroden 14 und 18 direkt gegenüberliegen. Die und 16 abgenommen wird. Durch Veränderung der Form der Elektroden des Resonators 10a kann die Frequenz des vom Generator 32 erzeugten Signals 60 Streukapazität erhöhen, doch sonst sind die Betriebsüber einen Bereich, der die Durchlaßfrequehz des eigenschaften im wesentlichen dieselben wie für den Resonators 10 einschließt, kann die Durchlaßcharakte- Resonator 10.As the F i g. 3 shows, a voltmeter V {is used for electrode 14 and a concentric ring electrode 18 is used to display the input on a resistor 33 on one side of the disk, the corresponding output voltage and a voltmeter V 0 to display 45 numbered electrodes of the Ausder described first The output example shown on a resistor 35 is the same, and an electrode 16a, voltage. One endpoint of generator 32 and both covering all of the other side of the disc or electrodes (e.g. 16 and 20) on one side of at least most of it. The discs are grounded. The other end point of the polarization can be reached by both generator 32 is completely covered over the resistor 37 with the 50 sides of the disc 12 a with electrodes concentric electrode 18 on the other side. Then either the polarization of the disk and the counter-electrodes in series are removed and new electrodes are placed, 37 and 33 would be connected to earth. The electrode or polarization electrodes are connected to ground via resistor 35. Correct areas removed to obtain the desired "Abs of Fig. 3 it can be seen that the input 55 shape of the operating electrodes. The surface voltage between the concentric electrodes 18 _ of the electrode 16 a should be at least equal to the sum and 20 des The resonator body 10 is applied, while that of the surfaces of the electrodes 14 and 18 are directly opposite the output signal from the central electrodes 14 and electrodes 14 and 18. The and 16 are removed 32 generated signal 60 increase stray capacitance, but otherwise the operations over a range which includes the pass frequency of the characteristics are substantially the same as for the resonator 10, the pass characteristics resonator 10.
ristik des Resonators aus dem Verhältnis V0/Vt er- Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist mittelt werden. Eine graphische Darstellung von V0)Vi das _ Übertragerelement 10c nach der Fig. 6 und 7. über die Frequenz des Eingangssignals für Ausfüh- 65 Es besitzt eine am Rande der Scheibe angeordnete rungsbcispiele gemäß der Erfindung ist in F i g. 9 Ring- oder Umfangselektrode 34, zwei mittlere dargestellt und wird im folgenden erläutert. Elektroden 14 und 16 und zwei konzentrische Ring-Die in Fig. 9 aufgezeichneten Werte werden mit elektroden 18 und 20, die den entsprechend beziffertenristics of the resonator from the ratio V 0 / Vt- Another embodiment of the invention is to be averaged. A graphic representation of V 0 ) Vi the transmitter element 10c according to FIGS. 6 and 7 over the frequency of the input signal for execution 65 It has an example according to the invention arranged on the edge of the disk is shown in FIG. 9 ring or circumferential electrode 34, two middle ones shown and will be explained below. Electrodes 14 and 16 and two concentric rings - The values recorded in Fig. 9 are measured with electrodes 18 and 20 which are numbered accordingly
Elektroden der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele entsprechen. Wie durch die Pfeile 30 angedeutet ist, wird die Scheibe 12c der Fig. 6 vollständig in radialer Richtung, vorpolarisiert, indem man die Zuführungen 22 und 24 der mittleren Elektroden 14- und 16 beide mit dem einen Pol der Polarisationsspannungsquelle und die Zuführungen 26 und 28 der beiden konzentrischen Ringelektroden 18 und 20 mit dem anderen Pol verbindet. Das führt zu einer radialen'Polarisation zwischen den mittleren und den to konzentrischen Ringelektroden. Danach werden die Ringelektroden 18 und 20 gemeinsam an denjenigen Pol der Spannungsquelle angeschlossen, der ursprünglich mit den mittleren Elektroden verbunden war, während die Zuführung 38 der am Rande der Scheibe angeordneten Ringelektrode 34 mit dem anderen Pol verbunden wird, um die radiale Polarisation in dem ; Bereich zwischen den Ringelektroden und dem Umfang der Scheibe zu vervollständigen. Eine einheitliche Polarität des Polarisationsfeldes wird also aufrecht- ao erhalten. - -·..-.Electrodes correspond to the embodiments described above. As indicated by the arrows 30, the disk 12c of FIG. 6 is completely pre-polarized in the radial direction by connecting the leads 22 and 24 of the central electrodes 14 and 16 both to one pole of the polarization voltage source and the leads 26 and 28 of the two concentric ring electrodes 18 and 20 connects to the other pole. This leads to a radial polarization between the central and concentric ring electrodes. Then the ring electrodes 18 and 20 are connected together to that pole of the voltage source that was originally connected to the central electrodes, while the lead 38 of the ring electrode 34 arranged on the edge of the disk is connected to the other pole in order to ensure the radial polarization in the; Complete the area between the ring electrodes and the circumference of the disc. A uniform polarity of the polarization field is thus maintained. - - · ..-.
Die Prüfschaltung des Übertragerelements 10c ist in der F i g. 5 dargestellt. An Hand der F i g. 1 bis 7 sind Ausführungsbeispiele.der Erfindung beschrieben, welche Beispiele für zwei Hauptmerkmale enthalten, nämlich 1. für die Richtung oder Richtungen der Vor-' »polarisation der keramischen Scheibe und 2. für die Elektroden, ihre Anzahl und ihre Gestalt. Es ist gezeigt, daß die Scheibe über ihren ganzen Querschnitt oder nur zwischen den Elektroden axial vorpolarisiert sein kann oder daß sie vollständig radial vorpolarisiert sein kann. Außerdem können drei, vier oder fünf Elektroden verwendet werden. Drei Elektroden, die wenigstens eine mittlere Elektrode und eine konzentrische Elektrode einschließen, sind zumindest erforderlich. The test circuit of the transmitter element 10c is shown in FIG. 5 shown. On the basis of FIG. 1 to 7 are exemplary embodiments of the invention described, which contain examples of two main features, namely 1. for the direction or directions of the fore ' »Polarization of the ceramic disc and 2. for the electrodes, their number and their shape. It is shown that the disk is axially pre-polarized over its entire cross-section or only between the electrodes or that it can be completely radially pre-polarized. Also can be three, four or five Electrodes are used. Three electrodes, the at least one middle electrode and one concentric one Include electrode are at least required.
Die Faktoren, welche die Anzahl, die Fläche und die Stellung der Elektroden beeinflussen, werden aus der folgenden rechnerischen Behandlung der Wirkungsweise der Resonatoren gemäß der Erfindung ersiehtlieh. The factors which influence the number, area and position of the electrodes are made up the following mathematical treatment of the mode of operation of the resonators according to the invention.
Die Ausdrücke, die in der rechnerischen Betrachtung angewandt werden, sind wie folgt definiert:The expressions that are used in the arithmetical consideration are defined as follows:
Te = tangentiale oder Umfangsspannung, Tr = radiale Spannung, T e = tangential or circumferential stress, Tr = radial stress,
Tz = axiale Spannung, Tz = axial stress,
Er = radiales Feld, Er = radial field,
Ez = axiales Feld, Ez = axial field,
g3l == Koeffizient der piezoelektrischen Ausgangsspannung bei mechanischer Beanspruchung senkrecht zur Polarisationsrichtung, .g33 = Koeffizient der piezoelektrischen Ausgangsspannung ._ bei mechanischer Beanspruchung parallel zur Polarisationsrichtung, g 3l == coefficient of the piezoelectric output voltage with mechanical stress perpendicular to the polarization direction, .g 33 = coefficient of the piezoelectric output voltage ._ with mechanical stress parallel to the polarization direction,
für Bariumtitanat g31 = -y^g^,
r = Scheibenradius.for barium titanate g 31 = -y ^ g ^,
r = disk radius.
In der Fig. 8 sind die Funktionen der radialen und tangentialen Spannungen einer dünnen keramischen Scheibe, die bei der Grundfrequenz und erster Oberfrequenz in radialer Richtung schwingt, näherungsweise durch die Kurven Tr und Τθ dargestellt. Die axiale Spannung Tz, welche durch den Poissoneffekt hervorgerufen wird, ist für dünne Scheiben sehr klein und daher in der F i g. 8 weggelassen. Die ausgezogenen Kurven gelten für Grundresonanz. Sie zeigen, daß die radiale Spannung Tr am Rand der Scheibe 0 ist und daß sie in der Mitte, wo Tr = Te gilt, am größten ist. Die Tangentialspannung Τθ hat am Rande der Scheibe ,einen kleinsten Wert größer als 0. Die Spannungen TB und TR, die positiv angenommen werden, sind in Phase und in der Phase entgegengesetzt :zur Spannung Tz, welche daher negativ ist:,.i:.,Li-.■-:■;,;w'Av:;,^ , In FIG. 8, the functions of the radial and tangential stresses of a thin ceramic disk, which vibrates in the radial direction at the fundamental frequency and the first harmonic frequency, are approximately represented by the curves Tr and Τ θ . The axial stress Tz, which is caused by the Poisson effect, is very small for thin disks and is therefore shown in FIG. 8 omitted. The solid curves apply to basic resonance. They show that the radial stress Tr is 0 at the edge of the disk and that it is greatest in the middle, where Tr = T e. The tangential stress Τ θ at the edge of the disk has a smallest value greater than 0. The stresses T B and T R , which are assumed to be positive, are in phase and opposite in phase: to the voltage T z , which is therefore negative :, . i: ., Li-. ■ -: ■;,; w'Av:;, ^ ,
Im folgenden wird ein rechnerisches Beispiel für den Fall gegeben, daß eine Scheibe, die bei ihrer Grundfrequenz in radialer Richtung schwingt, nur in ihrer axialen Richtung vorpolarisiert ist. JDieses Ausführungsbeispiel ist in den ,F i g. 1 bis 4 dargestellt. Die mechanischen Spannungskurven sind die gleichen wie die ausgezogenen Kurven in der F i g. 8, doch wird in diesem Falle das axiale Feld wiedergegeben durch: ·In the following, a computational example is given for the case where a disk which vibrates in the radial direction at its fundamental frequency is only prepolarized in its axial direction. This embodiment is shown in FIGS. 1 to 4 shown. The strain curves are the same as the solid curves in F i g. 8, but in this case the axial field is represented by:
= g3i (Te'+ Tr) + g33Tz. = g 3i (Te '+ Tr) + g 33 Tz.
Da gag und T2 um 180° gegen gn, Te und Tr phasenverschoben sind, tritt kein Löscheffekt auf, der dann entstehen kann, wenn die Elektrode 34 keine überstehenden Ränder aufweist. 3. J-.Since gag and T 2 are phase shifted by 180 ° with respect to g n , T e and Tr , no erasing effect occurs, which can occur if the electrode 34 does not have any protruding edges. 3. J-.
Durch geeignete Auswahl der Fläche fund der Stellung der Elektroden wird die Beseitigung - des Löscheffekts und eine Impedanzwandlung mit Spannungserhöhung erreicht. Die hier beschriebenen Ubertragerelemente dienen daher als Impedanzwandler und als elektrische Wellenfilter. - ' : VBy suitable selection of the area and the position of the electrodes, the elimination of the quenching effect and an impedance conversion with an increase in voltage are achieved. The transformer elements described here therefore serve as impedance converters and as electrical wave filters. - ' : V
Das gleiche gilt für Übertragerelemente, die bei einer Oberschwingung arbeiten/Die Fig. 8 zeigt gestrichelt eine Spannungskurve für ein derartiges Übertragerelement. Dieses besteht aus einer Scheibe, die in radialer Richtung in ihrer ersten Oberschwingung mit etwa der 2,5fachen Frequenz der Grundresorianzfrequenz schwingt. Nach der Figur herrschen die folgenden Spannungszustände:The same applies to transmission elements that are used in work of a harmonic / Fig. 8 shows dashed lines a voltage curve for such a transmitter element. This consists of a disc that in the radial direction in its first harmonic with about 2.5 times the frequency of the fundamental resonance frequency swings. According to the figure, the following states of tension prevail:
1. Im Mittelpunkt der Scheibe mit dem Radius r: 1. In the center of the disk with radius r:
(b) Τθ Tr sind positive Maxima,(b) Τ θ Tr are positive maxima,
(c) Tz ist negativ.(c) Tz is negative.
2. Für den mittleren Bereich (πα2) der Scheibe, wobei2. For the middle area (πα 2 ) of the disc, where
a = 0,4 R, a = 0.4 R,
(a) ΣΤΘ und Σ Tr sind positiv,(a) ΣΤ Θ and Σ Tr are positive,
(b) Σ Te > Σ Tr, (b) Σ Te> Σ Tr,
(c) Tz ist negativ.(c) Tz is negative.
3. Am Umfang (2πα) des Mittelteils der Scheibe:3. At the circumference (2πα) of the middle part of the disk:
(a) Te ist positiv,(a) Te is positive,
(b) Tr ist 0, ·(b) Tr is 0,
(c) Tz ist negativ.. ,(c) Tz is negative ..,
4. Für^as äußere,',Gebiet jr(/·*—ca) der Scheibe:4. For ^ as outer, ', area jr (/ · * -c a ) of the disc:
(a) Σ Te ist negativ^ - >' (a) Σ Te is negative ^ - >'
(b) Σ Tr ist negativ,-(b) Σ Tr is negative, -
(c) Σ Tr ist negativer als ΣΤΘ. (c) Σ Tr is more negative than ΣΤ Θ .
Wenrfaiio die Scheibe in den F i g. l oder 4 eine mittlere Elektrode 14 mit einem Radius α vom etwa 0,4fachen des Scheibenradius r besitzt, die Ringelektrode 20, abgesehen von einem engen Spalt, die restliche Fläche der Scheibe bedeckt, und die Scheibe in radialer Richtung in ihrer ersten Oberschwingung schwingt, wird das axiale Feld wiedergegeben durchWenrfaiio the disc in the F i g. l or 4 has a central electrode 14 with a radius α of approximately 0.4 times the disk radius r, the ring electrode 20, apart from a narrow gap, covers the remaining surface of the disk, and the disk oscillates in the radial direction in its first harmonic, the axial field is given by
' ;Ez = £31 (Te + fs) + gmTz. . (5)'; Ez = £ 31 (Te + fs) + g m T z . . (5)
309 622/215309 622/215
9 \ 109 \ 10
Da alle Glieder für den Mittelteil der Scheibe Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die" positiv sind, tritt kein Löscheffekt auf, und man kann beschriebenen Übertragerelemente eine Spannungsvereine sehr günstige Impedanzwandlung erreichen. Stärkung liefern, die durch eine ImpedanzwandlungSince all the links for the middle part of the disc can be said in summary that the " are positive, there is no quenching effect, and the described transmission elements can be a voltage association achieve very favorable impedance conversion. Strengthening deliver that through an impedance conversion
Die obige Rechnung gründete auf der Annahme, erhalten wird. Die, Impedanzwandlung hängt.vom
daß die Scheiben dünn sind (z. B. Scheiben mit einem 5 Flächen- und daher vom Kapazitätsverhältnis der
Durchmesser vom etwa 5- bis lOfachen der Dicke). Primär- und Sekundärelektroden und von der Stel-In
solchen Scheiben sind die axialen Spannungen lung der Elektroden ab, die zur Beseitigung des
klein jind daher meistens vernachlässigban Weiter- Löscheffektes entgegengesetzt gerichteter Felder
hin ist die Resonanzfrequenz dünner Scheiben fast ' führt. Γ .:..-'.-,;.-^ ^-.-.^'v. <'..:■- ■■- ^ .;^-:-" ■■
ausschließlich eine Funktion des Durchmessers. Man ίο Die Durchlaßcharakteristik eines typischen Überkann
natürlich auch Scheiben größerer Dicke ver- tragerelementes gemäß der Erfindung ist in Fig. 9
wenden; in diesem Fall beeinflußt jedoch die Dicke gezeigt. Die Fig. 9 ist mit einem Ubertragerelement
die Resonanzfrequenz, und die axialen Spannungen nach der Fig. 4 ermittelt worden, das bei seiner
sind nicht klein. Wenn insbesondere die Dicke der Grundfrequenz F0 (ausgezogene Kurve) und der
Scheibe mit ihrem Durchmesser in einer solchen Be- -is ersten Oberschwingung F1 (gestrichelte Linie) in der
ziehung steht, daß die radiale und die axiale Resonanz* Schaltung nach der F i g. 3 arbeitet. Der Radius der
zusammenfallen, dann treten auch axiale Spannungen Mittelelektrode ist 0,4 mal dem Radius der Scheibe 12a,
auf, die von der gleichen Größenordnung wie die und die Ringelelektrode 18 bedeckt den Rest der
radialen und tangentialen Spannungen sind. Scheibenfläche bis auf einen engen Spalt zwischenThe above calculation was based on the assumption that is received. The impedance conversion depends on the fact that the disks are thin (e.g. disks with an area and therefore on the capacitance ratio of the diameter from about 5 to 10 times the thickness). Primary and secondary electrodes and from the position in such disks are the axial tensions of the electrodes, which lead to the elimination of the small and therefore mostly negligible fields, the resonance frequency of thin disks is almost negligible. Γ.: ..- '.-,; .- ^ ^ -.-. ^' V. <'..: ■ - ■■ - ^. ; ^ - : - "■■
solely a function of the diameter. The transmission characteristic of a typical transfer element according to the invention can of course also be used in larger thickness disks in FIG. 9; in this case, however, affects the thickness shown. FIG. 9 has been determined with a transmitter element, the resonance frequency and the axial stresses according to FIG. 4, which are not small in its. In particular, when the thickness of the fundamental frequency F 0 (solid curve) and the disc with its diameter in such a loading -is first harmonic F 1 (dashed line) is on the relationship that the radial and axial resonance * circuit according to the F i g. 3 works. The radius of the coincident, then also axial stresses occur in the center electrode is 0.4 times the radius of the disc 12a, which are of the same order of magnitude as that and the ring electrode 18 covers the remainder of the radial and tangential stresses. Disc surface except for a narrow gap between
In allen axial vorpolarisierten Scheiben wird das ao ihr und der Elektrode 14. Aus den Kurven ersiehtIn all axially pre-polarized disks the ao you and the electrode 14 can be seen from the curves
axiale Feld wiedergegeben durch man, daß Ubertragerelemente gemäß der Erfindung,axial field reproduced by that transfer elements according to the invention,
ρ --„ (r 4-T \ ν T als Filter verwendet, scharfe Durchlaßbänder, hohen f\ ρ - "(r 4-T \ ν T used as a filter, sharp pass bands, high f \
^ ftiUsTJüMsä^· Spannungsgewinn und ein hohes Signal-Rausch-Ver- ·^ ftiUsTJüMsä ^ · Voltage gain and a high signal-to-noise ratio
Eine ziemlich dicke Resonatorscheibe zeigt wesent- hältnis besitzen. Nach der Vierpoltheorie können :iche axiale Spannungen Tz und nutzt daher den 95 schließlich mehrere Ubertragerelemente zu Filterhohen ^33-Koeffizienten aus. ' ■ > netzen vereinigt werden. A fairly thick resonator disk shows a substantial proportion. According to the four-pole theory, axial stresses Tz can be used and therefore the 95 finally uses several transformer elements to produce filter heights ^ 33 coefficients. '■> networks are united.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (8)
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US61010356 | 1956-09-17 | ||
DEC0015482 | 1957-09-16 | ||
US61010366A | 1966-09-17 | 1966-09-17 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1616505A1 DE1616505A1 (en) | 1969-10-30 |
DE1616505B2 DE1616505B2 (en) | 1972-11-09 |
DE1616505C true DE1616505C (en) | 1973-05-30 |
Family
ID=
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