DE1953826A1

DE1953826A1 - Energieuebertragungseinrichtung

Info

Publication number: DE1953826A1
Application number: DE19691953826
Authority: DE
Inventors: Thompson Edwin Charles; Fair Irvin Ernest
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1968-10-30
Filing date: 1969-10-25
Publication date: 1970-05-21
Also published as: US3573672A; CH501340A; NL155693B; FR2021887A1; GB1287002A; DE1953826C2; NL6916084A; SE365083B; BE740969A

Description

Western Electric Company Incorporated Fair-Thonpson 16-1

New York, N. Y. 10007 U.S.A.

Energieübertragungseinrichtung

Die Erfindung betrifft Energieübertragungseinrichtungen wie Kristallfilter, die aus einem Kristallkörper bestehen, der mit einer ersten und einer zweiten Plattenanordnung versehen ist, welche einen Abstand voneinander haben und ein Paar von gegenseitig gekoppelten Resonatoren zur Übertragung eines Frequenzbandes einer Wellenenergie bilden. Jede Plattenanordnung kann aus einem Paar von Elektroden bestehen, die an entgegengesetzten Seiten des Kristallkörpers angebracht sind.

Es wurde bereits eine verlustarme Energieübertragung über eine akustisch resonante Kristallscheibe, die in der Dickenscherungsform schwingt, selektiv dadurch geregelt, dass die entgegengesetzten Flächen der Scheibe mit einer Anzahl von im Abstand angeordneten Elektrodenpaaren bedeckt wurden, deren Massen ausreichten, um die Dickens cherungs schwingungen zwischen die Elektroden jedes Paares zu konzentrieren, so dass die Paare mit dem Kristall getrennte Resonatoren bildeten, und dadurch dass der Abstand der Elektrodenpaare so gross gemacht wurde, dass die Kopplung zwischen zwei benachbarten

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Resonatoren geringer als ein gegebener Betrag ist.

Diese Eigenschaften können ausgenutzt werden, um ein Filter herzustellen, das das Durchlassband zwischen einer elektrischen Quelle und einer Widerstandsbelastung regelt. Dies geschieht dadurch, dass zwei oder mehr Elektrodenpaare auf die entgegengesetzten Seiten ^ einer piezzoelektrischen Kristallscheibe aufgedampft werden. Wenn

das eine Elektrodenpaar mit einer Quelle verbunden wird, die in der Lage ist, in der Scheibe Dickenscherungsschwingungen zu erregen und wenn ein anderes Paar mit einer Widerstandsbelastung verbunden wird, bilden die Elektrodenpaare mit der Scheibe aufeinanderfolgende Resonatoren. Das Durchlassband an der Belastung kann durch Ändern der Massen der Elektroden und des Abstands zwischen den jeweiligen Resonatoren einstellbar geregelt werden. Insbesondere ist es erforderlich, die Elektroden so massiv und den Abstand zwischen den Elektroden so gross zu machen, dass die Kopplung zwischen benachbarten Resonatoren wenigstens so klein ist, dass ein Zustand eintritt, der hier Zustand mit "geregelter Kopplung" genannt wird. Resonatoren in diesem Zustand sind auch mit "definitiv gekoppelt" bezeichnet worden.

Der Zustand mit geregelter Kopplung wird offenbart, wenn die Kopplung zwischen zwei benachbarten Resonatoren so klein wird, dass die beiden

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Kurzschluss-Resonanzfrequenzen, die diese Resonatoren zeigen, so dicht beieinander liegen, dass zwischen ihnen die durch jeden Resonator verursachten Antiresonanzfrequenzen ausgeschlossen sind. Der Zustand mit geregelter Kopplung ist durch einen Wellenwiderstand gekennzeichnet, dessen reeller Teil sich mit steigender Frequenz von Null auf einen endlichen Zwischenspitzenwert ändert und dann auf Null zurückgeht. Zur Bestimmung dieses Zustande werden die beiden Resonatoren gegen alle anderen Resonatoren entkoppelt.

Bei derartigen Filtern hängen die Resonatorkopplungen, deren Wert und Anzahl die entstehenden Durchlässbänder bestimmen, von zahlreichen Faktoren ab, wie der Massenbelastung, des Elektrodenabstandes, der Kristallscheibendicke und der Elektrodenabmessungen. Das Fotoätzen von Plattierungsmasken und eine genaue Kristalldicke ermöglichen eine ausreichend gute Regelung der Kopplungen und der sich ergebenden Durchlassbänder. Jedoch sind Abweichungen gegenüber den gewünschten Durchlassbändern vorhanden. Die Beseitigung dieser Abweichungen nach der Herstellung der Kristallanordnung umfasst das Einstellen der Massen der Elektroden in den getrennten Resonatoren. Jedoch wird durch die Änderung der Massenbelastung nicht nur die Kopplung von Resonator zu Resonator geändert, es

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ändern sich auch die Bandmittenfrequenzen. Wenn auch das Gesamtdurchlassband und die Bandmittenfrequenzen in vergleichsweise hohen Grenzen geregelt werden können, so ist deshalb eine Feinregelung doch schwierig.

Erfindungsgemäss werden diese Schwierigkeiten dadurch beseitigt, dass eine Energieübertragungseinrichtung geschaffen wird, die aus einem Kristallkörper besteht, ferner aus einer ersten Plattenanordnung auf dem Körper, um mit der mechanischen Energie im Körper in Wechselwirkung zu treten, weiterhin aus einer zweiten Plattenanordnung auf dem Körper, die einen Abstand von der ersten Plattenanordnung aufweist, um mit der mechanischen Energie im Körper in Wechselwirkung zu treten, wobei jede Plattenanordnung einen Resonator eines Paares von gegenseitig gekoppelten Resonatoren bildet, die zusammen voneinander unabhängige Resonanzfrequenzen zeigen, wenn der Körper erregt wird, derart, dass .ein Energieband zwischen den Resonatoren übertragen werden kann, wobei ferner der Körper eine stetige Masse hat und die effektive Masse des Körpers im Raum zwischen der ersten und der zweiten Plattenanordnung geändert wird, um das übertragene Energieband mit einem gegebenen Energieband in Übereinstimmung zu bringen. .

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Die effektive Masse kann durch Ändern der Kristalldicke im Gebiet zwischen den am Körper angebrachten Elektrodenpaaren geändert werden. Insbesondere kann dies geschehen, indem auf die Scheibe zusätzliches Material in Form eines Flecks oder eines Streifens aufgebracht wird, oder indem zwischen den Paaren Material von der Scheibe entfernt wird.

Die Erfindung beruht zum Teil auf der Erkenntnis, dass eine Änderung der Dicke des Gebietes zwischen Elektrodenpaaren ebenso wie die Änderung der Massenbelastung sowohl die Bandbreite als auch die Bandmittenfrequenz beeinflusst. Jedoch ist das Mass der Änderung ausreichend verschieden, um eine Ferneinstellung durch Bemessen der Änderung zu erzielen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein teilweise bildlich dargestelltes Schaltschema eines Filterkreises, das eine Aufsicht auf ein Filter enthält, welches die Merkmale der Erfindung verkörpert; Fig. 2 ein Schema der gleichen Schaltung wie in Fig. 1, das jedoch einen schematischen Querschnitt des Filters in Fig. 1 zeigt.

Fig. 3 ein Schema eines Filterkreises, bei dem ein monolithisches Kristallfilter mit zwei gekoppelten Resonatoren verwendet wird;

Fig. 4 und 5 Kreuzglied- bzw. Kettenersatzschaltbilder des Filterkreises der Fig. 3j

Fig. 6 eine graphische Darstellung, welche die Änderung der Impedanz und der Reaktanz mit der Frequenz der Impedanzen in Fig. 4 zeigt, wenn die Elektroden im Kreis der Fig. 3 im wesentlichen .olasselos sind und die Kopplung zwischen den Elektrodenpaaren eng ist.

Fig. 7 eine graphische Darstellung, welche den Wellenwiderstand, d.h. die charakteristische Impedanz des Kreises der Fig. 3, 4 und 5 für die in Fig. 6 dargestellten Bedingungen zeigt;

Fig, 8 eine graphische Darstellung, welche die Übertragungskennlinien des Kreises der Fig. 3 zeigt, wenn er unter den Bedingungen der Fig. 6 und 7 bei Abschluss durch einen kleinen Widerstand betrieben wird;

Fig. 9 eine graphische Darstellung, welche die Änderung der Impedanz und der Reaktanz der Elemente im Kreis der Fig. 4 zeigt, wenn die Elektrodenpaare im Filter der Fig. 3 weniger als mit einem vorbestimmten Betrag gekoppelt sind;

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Fig. 10 eine graphische Darstellung, welche den Wellenwiderstand oder die charakteristische Impedanz des Filters der Fig. 3 für Änderungen der Frequenz unter den in Fig. 9 dargestellten Bedingungen zeigt;;

Fig. 11 eine graphische Darstellung, welche die Übertragungskennlinie des Filters der Fig. 3 zeigt, das unter den Bedingungen der Fig. 9 und 10 bei Abschluss durch einen kleinen Widerstand betrieben wird;

Fig. 12 ein Schalte chema, das einen Prüf kreis zur Prüfung der Kopplung zwischen den Resonatoren, d.h., den Elektrodenpaaren an einem Filter zeigt, das die Merkmale der Erfindung verkörpert;

Fig. 13, 14 und 15 graphische Darstellungen, welche die Beziehungen der Parameter für Filter gleich denen der Fig. 1, 2, 3, 17, 18 und 19 ohne deren zwischen den Elektroden aufgebrachten Teilen zeigt;

Fig. 16 eine graphische Darstellung, welche die Wirkungen der erfindungsgemass zwischen den Elektroden aufgebrachten Flächen auf die Bandbreite und die Kopplung der Elektrodenpaare in den Fig. 1 und 2 zeigt, wie sie in Fig. 12 gemessen sind;

Fig. 17 ein Schema, das ein anderes Filter zeigt, das die Merkmale der Erfindung verkörpert;

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Fig. 18 ein Schaltschema, das ein anderes Filter enthält, welches die Merkmale der Erfindung zeigt, dargestellt als Aufsicht;

Fig. 19 das Schaltschema der Fig. 18, bei dem das Filter als Querschnitt entlang der Linie 19-19 der Fig. 18 dargestellt ist, und

Fig. 20 ein teilweise bildlich dargestelltes Schaltschema, das eine weitere Ausführung der Erfindung zeigt.

In den Fig. 1 und 2 sind die entgegengesetzten Elektroden der beiden Elektrodenpaare 10 und 12, sowie 14 und 16 auf entgegengesetzten Flächen einer rechteckigen AT-Quarzkristallscheibe 18 aufgedampft oder anderweitig plattiert. Die aus rechteckigen Elektroden bestehenden Paare, deren Dicke im Interesse der Klarheit vergrössert erscheint, sind bei dieser Ausführung entlang der kri st allograph! sehe η Z¹-Achse der Kristallscheibe ausgerichtet. Über die Leiter 20 legt eine Hochfrequenzquelle 22 ein Hochfrequenzpotential an die Elektro-* den 10 und 12 an, um in der Scheibe 18 Dickenscherungsschwingungen piezzoelektrisch zu erzeugen. Der Teil der Schwingungsenergie in der Scheibe 18 zwischen den Elektroden 14 und 16 erzeugt ein sich änderndes elektrisches Feld, das die Leiter 20 an einen Abschlusswiderstand R_fi anlegen. Die beiden Elektrodenpaare bilden somit

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zwei gekoppelte Resonatoren. Ein aufgebrachtes Teil 24 in Form eines Flecks, der zwischen den Elektroden 10 und 14 auf der einen Seite der Scheibe 18 in der Mitte des Raumes zwischen den Elektroden aufgedampft oder anderweitig plattiert ist, weist kleinere Abmessungen als die rechteckigen Elektroden auf. Seine Masse ist so gross, dass die Bandbreite des Filters auf einen gewünschten Wert verbreitert wird.

Ohne Berücksichtigung des aufgebrachten Teils 24 sind die Massen der Elektroden 10, 12 14, und 16 so gross und die jeweiligen Elektrodenpaare 10 und 12, sowie 14 und 16 haben einen solchen Abstand voneinander, dass die Resonatoren, die durch die Elektrodenpaare gebildet werden, in einem Zustand sind, der hier der Zustand rn.it geregelter Kopplung genannt wird. Das heisst, die Massen der Elektroden Γ0, 12, 14 und 16 sind so gross, dass die Schwingungsenergie in der Scheibe 18 in den Raum der Scheibe zwischen den Elektroden jedes Paares "eingefangen" oder auf ihn konzentriert wird und dass die Energie mit dem Abstand vom Elektrodenpaar-exponentiell gedeckt wird. Hierdurch wird die Wirkung der Scheibengrenzen auf die Schwingungen in der Scheibe begrenzt. Um den Zustand mit geregelter Kopplung zu erhalten, ist der Abstand zwischen den Elektrodenpaaren zusammen mit dem Grad der Massenbelastung so ausgeführt, dass

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die Paare nur so viel gekoppelt sind, dass die Resonanzfrequenzen f und f , welche die gekoppelten Resonatoren zeigen, so dicht beieinander liegen, dass keine der Äntiresonanzfrequenzen f _Δ oder f _Ώ, welche die jeweiligen Resonatoren zeigen, zwischen ihnen erscheinen. Insbesondere sind die gekoppelten Resonatoren mit weniger als der Hälfte der maximalen Kopplung im Zustand mit geregelter Kopplung gekoppelt. Das heisst, die Resonanzfrequenzen liegen dichter beieinander als die nächste Antiresonanzfrecpienz.

Die Wirkung der Tatsache, dass mir zwei derartige Elektrodenpaare vorhanden sind, kann bei Betrachten eines Filters, wie das in Fig. dargestellte, seiner Kreuzgliedersatzschaltong in Fig. 4 und seiner Kettenersatzschaltung in Fig. 5 erkannt werden. Fig. 3 entspricht den Fig. 1 und 2 ohne aufgebrachtes Teil 24. Im Ketfcenersatzneizwerk stellen die drei Kondensatoren C das elektrische Äquivalent der akustischen Kopplung zwischen den Elektrodengebieten der Fig. 3 dar. Nach dem Zweiteilungstheorem von Bartlett stehen die beiden Schaltungen durch die folgenden Gleichungen zueinander in Beziehung:

1A C

ι + IL c

009121/14$!

¹ " C

Die Werte C₁ und L₁ in den Fig. 4 und 5 sind derart, dass die Grundfr equenz der Scherungsschwingong der Kristallscheibe 18 1/2 tf ^L C- beträgt. Der Wert von L. ist eine Funktion der Dicke des Kristaükörpers und der geometrischen Form der Elektroden 10 und 12 sowie 14 und 16. C_fl ist die statische Kapazität zwischen den Elektroden jedes Elektrodenpaares.

In Fig. 3 ist das von der Anordnung übertragene Signal am grössten und damit die Betriebsdämpfung am kleinsten, wenn die charakteristische Impedanz., d.h. der Wellenwiderstand Z. * R ist. Somit treten bei diesem Frequenzen eine maximale Signalübertragung und eine minimale Betriebsdämpfung auf, wenn Z. ohm'sche Widerstände R. annimmt, d^h. ₃weinn es reell und positiv ist, so dass Z. « R. * R_n ist. Im allgemeinen, ist der Wellenwiderstand, d. h. die charakteristische Impedanz Z. * ->/ Ζ__,Ζ_σ_ , wobei Z _ die Eingangsimpedanz

X Uv uO UL·

ist, wenn das Belastungsende offen ist, und Z_ort die Eingangsimpedanz ist, wenn das Belastungsende kurzgeschlossen ist. Somit ist der Wellenwiderstand oder die charakteristische Impedanz Z. für die

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Kristallanordnung der Fig. 3 und ihr Ersatzschaltbild in Fig. 4 _ gleich ^/Z_aZ . Da die Kristallscheibe 18 ein grosses Q hat, bestehen die Werte Z- und Z fast aus schlies such aus ihren Reaktanzkomponenten X und X . Somit ist der Wellenwiderstand Z.

im wesentlichen gleich */ X.X . Die Werte X. und X können für verschiedene Massen der Elektroden 10 und 12 sowie 14 und aufgezeichnet und die Werte von Z. aus ihnen bestimmt werden.

Bei der Kristallanordnung der Fig. 3 nimmt, wenn die Scheibe 18 durch die Elektroden 10 und 12 sowie 14 und 16 unwesentlich massenbelastet ist, die zwischen den Elektroden 10 und 12.erzeugte Schwingungsenergie in anderen Teilen der Scheibe 18 nur allmählich ab. Somit koppelt die Scheibe die Elektrodenpaare fest. Die Reaktanzen X_Ä und X^ der Impedanzen Z. und Z ändern sich dann mit der Frequenz, wie es in Fig 6 dargestellt ist.

Da X. und X_1n imaginäre Zahlen sind, ist vXTxZ^ nur reell, wenn X und X entgegengesetzte Vorzeichen haben. Somit zeigt das Filter in den Frequenzgebieten, in denen X und X auf ent-

Xl- Jj

gegengesetzten Seiten der Abszisse der Fig. 6 erscheinen, reelle positive Wellenwiderstände Z. * R.. Wie in der graphischen Darstellung des reellen Z., d.h. R. in Fig. 7 dargestellt ist, sind zwei

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reelle positive Wellenwiderstände Z. für die Art der Kopplung in Fig. 6 vorhanden. Sie erstrecken sich jeweils über dßn unteren Resonanz-Antiresonanzber eich f. bis f und den oberen Resonanz Antiresonanzber eich f bis f der einzelnen Impedanzen Z. und

Z..,, Die Breite dieser Bereiche ist annähernd gleich und eine Funk-Ja

tion der piezzoelektrischen Kopplung der Scheibe und der Elektrodenflächen. Da die Betriebs dämpfung ein Minimum ist, wenn die Abschlussimpedanz R der Fig. 7 dem reellen Wellenwiderstand R. angepasst ist, ist die Betriebsdämpfung für eine derartige Einrichtung im reaktiven Impedanzgebiet f . bis f_. sehr hoch. Sie ist nur bei den beiden Frequenzen gering, wo R~, R. schneidet. Der Widerstand R schneidet ohne Rücksicht auf seinen Wert R. von Fig. 7 an zwei Stellen. Somit erzeugen die Kurven der Fig. 6 und 7 die in Fig. 8 dargestellte Betriebs dämpfung oder Übertragungskennlinien. Für jeden Wert von R ergibt dies zwei Minima, die durch ein breites Dämpfungsband getrennt sind.

Bei früheren Anordnungen, bei denen die Elektroden ausreichend Masse erhielten, wurde die Dickenscherungsschwingungsenergie in der Scheibe 18 zwischen die Elektroden der jeweiligen Elektrodenpaare konzentriert, so dass die Scheibe 18 ausserhalb des Raumes zwischen den Elektroden rait stark abnehmender Amplitude schwingt.

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Die Kopplung zwischen den Resonatoren nimmt ab. Es kann keine wesentliche Energie die Grenzen der Scheibe erreichen. Eine derartige Massenbelastung der Elektroden ergibt zwei Resonatoren, wenn zwei Elektrodenpaare benutzt werden. Wenn diese beiden Resonatoren jeweils in das wirksame Feld des anderen angeordnet werden, arbeiten sie wie ein abgestimmter Transformator.

Bei einer Herabsetzung des Abstands zwischen den Elektrodenpaaren und einer Vergrösserung der Masse der Elektrodenpaare regelt das Bandspektrum, mit dem die Energie des Systems des einen Paares durch das System des anderen Paares geht. Wenn dies eintritt, nähern sich die Resonanzfrequenzen f. und f . Wenn die Kopplung klein genug ist, so dass f kleiner als f ist, ergeben sich die in Fig. 9 dargestellten einzelnen Reaktanzkurven X und X . Dort überlappen sich die einzelnen Resonanz-Antiresonanz-Bereiche von X und X . Mit anderen Worten, f - f < f - f . Zwischen f und f. gibt es kein f . oder f . Der sich ergebende reelle Teil des Wellenwiderstands Z., d.h. R. erscheint in der reellen Ebene der Fig. 10. Wie aus Fig IO hervorgeht, besitzt die Impedanz Z. zwei positive reelle Bereiche. Ein Bereich erstreckt sich zwischen den Resonanzfrequenzen f. und f_R und hat ein mittleres Maximum R mit den Enden Null. Ein zweiter Bereich liegt

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zwischen f . und f _. Dort beginnt R. im Unendlichen, nimmt ab aA aB ^& ι

und kehrt zum Unendlichen zurück, wenn die Frequenz ansteigt.

Einer der beiden Frequenzbereiche der Fig. 9 kann beseitigt werden, indem die Elektroden 14 und 16 innerhalb des Widerstandsbereiches des einen Widerstands M., doch entfernt vom anderen Widerstand abgeschlossen wird. Da in Fig. 10 K allen Widerständen, die kleiner als Z_ sind, eng angepasst ist, lässt das System die Frequenzen zwischen f und f mit geringer Dämpfung durch. Eine Kurve,

e welche die Betriebsdänipfimg für ein Filter mit diesen B/dingungen, das mit einem Widerstand BL belastet ist, zeigt _a ist in Fig. 11 dargestellt.

Die Bedingungen der Fig. 9, 10 und 11 können nach Fig. 12 erfüllt werden, indem in einem monolithischen Filter mit zwei Elektrodenpaaren eine Steuer spannung über einen Widerstand 34 an das eine Elektrodenpaar angelegt wird txb.& das andere kurzgeschlossen wird. Ein Messgerät 32 misst die Spannung am Widerstand. Die Frequenzen, bei denen die Spannung am geringsten ist, sind die Frequenzen f. und f_. Wenn f - f. kleiner als f . - £' ist, dann bestehen die Bedingungen der Fig. 8, 9 und ICh Dann gibt es zwischen f. und f

A Jj

kein f_&A oder f^. Die Bedmgtmg fg - f f -.f ■ ist als die

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oben erwähnte Bedingung für geregelte Kopplung bekannt. Weiin f - f gleich oder grosser als f . - f. ist, dann bestehen die Jd A au. Ά.

Bedingungen der Fig. 6, 7 und 8. Der Kopplungskoeffizient k zwischen diesen Elektrodenpaaren ist gleich (f - f.)/ <J f^f» ·

α ά. α ά.

Angenähert ist dies (f - f )/ f oder (f - f.)/f..

Xj xx Jd Xj Ä XX

Um den maximalen charakteristischen Widerstandswert der Fig, IO

zwischen f und f. viel kleiner als den minimalen Wellenwiderstandsr> A ι

wert zwischen f - f . zu machen, liegt für praktische Zwecke die Frequenzdifferenz f - f im allgemeinen unterhalb (f - f _Δ)/2.

x5 -ei. .ex 3^i.

Somit liegen f. und f näher aneinander als an f oder f . Hierdurch wird eine hinreichende Beseitigung des einen Bandes und das Durchlassen des anderen bei geeigneten Abschlusswerten R sichergestellt.

In den Fig 1 und 2 befinden sich die Elektroden 10, 12, 14 und 16 im Zustand mit geregelter Kopplung, wobei f. - f < f . - f. ist. Das heisst, sie folgen der Regel, die in den Fig. 9, 10 und 11 dargestellt ist. Zwischen f. und f gibt es kein f . oder f . Insbe-

xx JJ äxx 3.Jj

sondere sind sie derart, dass f - f < (f - f )/2 ist. Somit lie-

Jd A aÄ Ά

gen f und f näher aneinander als an f oder f , Dies trifft sowohl vor als auch nach dem Hinzufügen der Fleckelektrode 24 zu.

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Die Bandbreite (f - f.) eines derartigen Filters ist eine Funktion verschiedener Parameter. Die graphischen Darstellungen der Fig. 13, 14 und 15 zeigen empirische Beziehungen zwischen den Parametern in einem solchen Filter. In diesen graphischen Darstellungen sind die Massen der Elektroden nicht direkt dargestellt, sondern durch den Wert, um den die Massen die Frequenz jedes Resonators erniedrigen. Eine solche Frequenzerniedrigung tritt auch bei einem, einzigen Elektrodenpaar auf einer Kristallscheibe ein. Die verhältnismässige Erniedrigung (f - f )/f der Resonanzfrequenz f eines nichtgekoppelten Resonators;, der durch ein einziges Elektrodenpaar auf einer Kristallscheibe gebildet wird, gegenüber der Dickenscherungsgrundfrequenz f des Kristallkörpers ohne Elektroden, die durch vergrösserte Massen der Elektroden auftritt, wird Hinterlegung (engl. plateback) genannt.

Bisher wurde das Einstellen der Bandbreite .{f - f -) derartiger Filter durchgeführt, indem den jeweiligen Elektroden Masse zugesetzt oder von ihnen entfernt wurde. Das Zusetzen von Masse hat die Tendenz die Kopplung zwischen den Resonatoren herabzusetzen. Durch das Zusetzen von Masse werden somit f. und f dichter zusammengebracht, während sie durch das Entfernen von Masse getrennt werden. Jedoch wird durch das Zusetzen von Masse auch

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f und f. herabgesetzt. Jede absolute Verkleinerung der Band-

x5 Ä

breite wird von einer viel grösseren absoluten Erniedrigung der massgebenden Bandmittenfrequenz f_n oder (f + f»)/2 begleitet. Zum Beispiel erfordert, wie in Fig. 14 dargestellt ist, die Herabsetzung einer Bandbreite von 2 kHz bei 10 MHz auf I₃ 8 kHz eine Änderung der Hinterlegung von 2, 0 % auf 2,1 %. Dies ergibt eine Änderung von 0,1 % von f_ bei 10 MHz. Die Bandbreitenverkleinerung von 200 Hz ist durch eine Verkleinerung der Frequenz von f., f und f„ von 10 kHz begleitet. Infolgedessen müssen die Ab-

A JS U'

messungen des Resonators mit doppelter Schwingungsform der Fig. 3 vorher genau bestimmt werden, um ein genaues Durchlassband bei der gewünschten Bandmittenfrequenz zu erzielen. Zum Beispiel bestimmt die Dicke der Scheibe die Dickens ehe rungsgrundfrequenz f der Scheibe für jede besondere axiale Ausrichtung der Elektroden.

Jedoch Wird nach Fig.. 1 und 2 das aufgebrachte Teil 24 verwendet, um das Band zu regeln. Wenn die Masse des-aufgebrachten Teils zunimmt, sind die absoluten Änderungen der Bandbreite und der Mittelfrequenz f in Hz vergleichbar. Jedoch ist für eineijgrosse Bandbreitenänderung die relative Frequenzänderung klein. Wenn die kleine relative Frequenzänderung für die Filtertoleranzen zu

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gross ist, kann die Bandmittenfrequenz f durch eine Massenbelastung der Elektroden zurückgestellt werden, Wenn die Elektroden massenbelastet sind, wird im Gegensatz zum Hinzufügen von Masse zum aufgebrachten Teil 24 die absolute Änderung der Bandmittenfrequenz f von einer fast unwesentlichen Änderung der Bandbreite begleitet.

Fig. 16 zeigt die Zunahme der Bandbreite f_ - f. infolge des Aufbringens und der Vergrösserung der Masse des aufgebrachten Teils 24, gemessen in der in Fig. 12 dargestellten Schaltung. Um die graphische Darstellung zu erhalten, wurden zwei Goldelektroden von etwa 5 mm χ 3 mm mit einem Abstand von etwa 2, 5 mm zwischen den längeren Kanten auf der Z'-Achse einer Quarzkristall-

scheibe von 15 mm angeordnet, die eine Grundfrequenz von 8 MHz hatte. Den Elektroden wurde eine so grosse Masse gegeben, dass 2% Hinterlegung auftrat, d.h. (f - f )/f » 0,02. Bevor das fleckförmige aufgebrachte Teil 24 hinzugefügt wurde, führte ein Frequenz generator 30 den Elektroden 10 und 12 Energie über den Messwiderstand 34 zu. Das Voltmeter 32 mass den Phasenwinkel am Widerstand 34. Die Elektroden 14 und 16 waren kurzgeschlossen. Die Aufbringeinrichtung 36 brachte dann Gold in den Raum zwischen den Elektroden ein,· um das aufgebrachte Teil 24 zu bilden.

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Da am aufgebrachten Teil 24 keine Anschlüsse angebracht waren, wurde die Massenbelastung des fleckförmigen aufgebrachten Teils 24 aufgrund der Aufbringzeit bestimmt. Diese Bestimmung wurde durchgeführt, indem die Menge der Massenbelastung geeicht wurde, die man bei einem gleichen Resonator mit derselben geometrischen Elektrodenform erhielt. Auf die Elektrode wurde zu verschiedenen Zeitintervallen Gold aufgebracht und die entsprechende Bandbreite wie auch die Bandmittenfrequenzänderung festgestellt.

Die prozentuale Zunahme der Bandbreite wurde in vier Intervallen gemessen bei den angenäherten Massenbelastungen von 0, 024, 0, 035, 0,064 und 0,077 %. Die prozentuale Zunahme der Bandbreite war, wie in Fig. 16 dargestellt, annähernd linear. Zur gleichen Zeit wurden die Kurzschlussfrequenzen der Resonatoren f. und f_ gemessen, um (f - f.) und (f_ + f/J/² festzustellen. Zu Beginn der Messungen betrug die Bandbreite des Filters, die durch die Frequenzdifferenz zwischen den Frequenzen f. und f bestimmt wurde, 986 Hz. Wenn dem aufgebrachten Teil 24 Masse zugesetzt wurde, stieg die Bandbreite stufenweise, bis eine Bandbreite von 1134 Hz für eine äquivalente Massenbelastung der aufgebrachten Fläche von 0, 077 % erreicht war. Dies ist eine Zunahme gegenüber der anfänglichen Bandbreite von 148 Hz oder mehr als 15%. Der Wert

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(f + f _Ä)/2, der die Bandmittenfrequenz f ist, die das Filter zeigt, nahm um 193 Hz ab oder etwa 0, 0022 %. Die absolute Zunahme der Bandbreite -näherte sich der absoluten Abnahme der Bandmittenfrequenz f an. Die Bandmittenfrequenz konnte durch Entfernen einer kleinen Menge von Material von den Elektroden auf ihren ursprünglichen Wert zurückgeführt werden. Dies würde eine Bandbreitenänderung von nur 2 oder 3 Hz oder 0,4% ergeben.

Die Herstellung eines Filters, wie es in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, geschieht dadurch, dass eine Kristallscheibe geätzt und Masken eingeschnitten werden, deren Abmessungen durch die graphischen Darstellungen der Fig. 13, 14 und 15 bestimmt sind. Dann wird Gold auf die Kristallscheibe aufgedampft, um Elektroden zu bilden, derart, dass die gezeigte Bandmittenfrequenz f » (f + f-)/2 etwas höher als die gewünschte Bandmittenfrequenz f und die Bandbreite (f - f ) gleich oder geringer als die gewünschte Bandbreite ist.

-D χι.

Die Kopplung, die massgebende Bandmittenfrequenz f und die Bandbreite werden wie in Fig. 12 dargestellt, durch Anlegen von Signalen eines Frequenzgenerators 30 an die Elektroden 10 und 12 und durch Kurzschliessen der Elektroden 14 und 16 gemessen. Das "Voltmeter 32 misst den Phasenwinkel am Mess wider stand 34. Die vom Volt-

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meter 32 gemessenen maximalen Spannungen geben die Frequenzen f. und f an. Die Differenz soll geringer als f . - f. sein, so dass sich die Resonatoren im Zustand mit geregelter Kopplung befinden.

Wenn die Bandbreite f - f. geringer als die gewünschte ist., dann

Ij A

führt die Aufbringeinrichtung36 Gold zu, um das aufgebrachte Teil 24 zu bilden, wie es in Fig. 12 dargestellt ist. Wenn dem aufgebrachten Teil 24 mehr Gold zugeführt wird, wächst die Bandbreite. Zum Beispiel kann eine Bandbreite von 1 kHz um 150 Hz oder um 15% vergrössert werden. Gleichzeitig nimmt die Bandmittenfrequenz f "*■ (f + f.)/2 um eine vergleichbare Anzahl von Hz ab. Dies ist

U XJ XX

ein geringer Teil der Mittelfrequenz und kann unwesentlich sein. Wenn die gewünschte Bandbreite erreicht ist, ist das Filter fertig, wenn der begleitende Bandmittenfrequenz abfall innerhalb gewünschter Toleranzen liegt. Wenn dies nicht der Fall ist, wird den Elektroden 10 und 12 sowie 14 und 16 Masse zugesetzt, um die vorhandene Bandmittenfrequenz (f + f.)/2 auf die gewünschte Bandmittenfrequenz f zu bringen. Durch die zugesetzte Hinterlegung wird die Bandbreite nur um einen unwesentlichen Betrag verändert, weil sie nur eine geringe proportionale Änderung der Bandmittenfrequenz

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darstellt, wenn auch die absolute Verringerung in Hz gross sein kann. Derartig geringe Änderungen ergeben nur geringe Änderungen im Verhältnis der Bandbreite und damit noch geringere absolute Bandbreitenänderungen. Wie aus Fig. 14 hervorgeht, kann eine Erniedrigung der Bandmittenfrequenz f um 150 Hz bei 10 MHz oder

eine Änderung der Hinterlegung 100 χ 150/10 ■ 0, 0015 % die Bandbreite etwa um 4 Hz ändern. Die Erfindung verwendet mit Vorteil die Differenzen der Änderungsgeschwindigkeiten, die die beiden Verfahren der Änderung der Frequenz und der Bandbreite zeigen.

Entsprechend einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie es in Fig. 17 dargestellt ist, hat das aufgebrachte Teil 24 die Form eines rechteckigen Streifens. Diese Form hat die gleiche Wirkung wie der Fleck in Fig. 1. Sie hat den Vorteil, dass vereinfachte Berechnungen ihrer Wirkung möglich sind,

Fig 18 und 19 zeigen ein weiteres Filter, das die Merkmale der Erfindung verkörpert. Hier sind sechs Elektrodenpaare 40, 42; 44, 46; 48, 50; 52, 53; 56, 58; und 60, 62 auf einer AT-Quarzkristallscheibe 64 entlang der Z¹-Achse aufgebracht. Eine Quelle liefert Energie an das Elektrodenpaar 40, 42, während eine Belastung 68 Energie von den Elektroden 60, 62 abnimmt. Die dazwi-

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schenliegenden Elektrodenpaare sind miteinander kurzgeschlossen und geerdet. Jedes benachbarte Elektrodenpaar befindet sich im Zustand mit geregelter Kopplung. Das heisst, wenn andere Resonatoren verstimmt werden, zeigen zwei benachbarte Resonatoren die Bedingungen der Fig. 9, 10 und 11. Insbesondere zeigen bei Verstimmung der anderen Resonatoren zwei benachbarte Resonatoren die Bedingung f_ß - f_A < (f^ - *_A)/2." .

Erfindungsgemäss kompensiert das streifenförmige aufgebrachte Teil 72 im Raum zwischen den Elektroden 40, 44, 48, 52, 56 und Abweichungen von den geforderten Elektrodenabmessungen der Scheibendicke und der Massenbelastung. Wenn derartige Abweichungen sonst zu unzuverlässigen Bandbreiten-Kopplungen oder Bandmittenfrequenzen geführt haben, so erlaubt das Vorhandensein der aufgebrachten Teile eine Feineinstellung der Bandbreiten und eine nachfolgende Feineinstellung der Bandmittenfrequenzen mit vernachlässigbarer Störung der Bandbreiten. Es ist nur erforderlich, dass die Elektroden 40 bis 62 zu Beginn weniger als notwendig hinterlegt sind. Die Platten ergeben somit Feineinstellungen, die, wenn nötig, zwischen irgendwelchen Elektrodenpaaren zusätzlich durchgeführt werden können.

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Der Ausdruck Dickens eher ungs schwingung wird so verwendet, wie er in der McGraw Hill Encyclopedia of Science and Technology, 1966, Band 10, Seiten 221 u. flg. definiert ist. Er umfasst sowohl die Parallelflächenbewegung als auch die Kreisflächenbewegung um eine gemeinsame Achse. Die Letztgenannte wird manchmal auch Dickenporosionsschwingung genannt.

Die Kristallanordnung der Fig 18 und 19 wird hergestellt, indem

f - f
B A
zunächst die Kopplung k » ■ ■ — * ungefähr gleich (f - t*)/i_&

^V AB

oder (f - f.)/f zwischen jedem benachbarten Elektrodenpaar um eine gewünschte Bandmittenfrequenz f aufgrund der Bandbreiten gewählt wird, die für aufeinanderfolgende gekoppelte Resonatoren berechnet sind. Die Kopplungen werden so eingestellt, dass jeder Fehler der Bandbreite auf der niedrigen Seite erscheint. Es werden eine Elektrodengrösse und eine geeignete Hinterlegung (von 0, 3 bis 3%) aus den Kurven ausgewählt, wie sie in den Fig. 13, 14 und 15 dargestellt sind und die empirisch entwickelt wurden. Dort ist t die Scheibendicke und r die Breite der Elektroden, wobei τ- im

allgemeinen gleich 12 gemacht wird, obgleich in der Praxis irgendein Wert zwischen 6 und 20 verwendbar ist. Es wird oft ein Wert von 15t als Länge der Elektroden senkrecht zur Kopplungsachse

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gewählt, um andere Schwingungsformen gut unterdrücken zu können. Die Dickenscherungs-Grundfrequenz f wird so bestimmt, dass sie der gewählten Hinterlegung P entspricht, und zwar aus den For-

JD

f - f«

f ·
^m (4)

- ^PB

Hierbei ist f ' etwas grosser als die gewünschte Bandmittenfre quenz f , damit der Bandmittenfrequenz-Fehler auf der oberen Seite erscheint.

Die Herstellung beginnt, indem zuerst eine Scheibe 16 aus einem Quarzkristall mit der gewünschten kristallographischen Orientierung geschnitten wird, z.B. in Form eines AT-Schnittes. Die Scheibe wird dann geläppt und geätzt, und zwar auf eine Dicke t, die der gewünschten Scherungs-Index-Grundfrequenz f für die Parallel- oder die Porosionsbewegung entspricht. Im allgemeinen ist die Dicke umgekehrt proportional der gewünschten Frequenz. Es werden Masken auf jeder Fläche der Kristallscheibe mit Ausschnitten zur Aufbringung der sehhs Elektroden angeordnet. Die geometrische Form der Elektroden wird unter Berücksichtigung

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der gewünschten Bandbreiten und der zweckmässigen Hinterlegung bestimmt.

Der richtige Abstand d zwischen den Elektroden kann aus den graphischen Darstellungen bestimmt werden, wie sie in den Fig. 13, 14 oder 15 gezeigt sind, die Änderungen der prozentualen Bandbreite für verschiedene Verhältnisse des Elektrodenabstands zur Aufbringungsdicke und für verschiedene Hinterlegungen, wie auch verschiedene Werte von — zeigen.

Um die gewünschten Hinterlegungen zu erhalten, wird Gold oder Silber aufgebracht, z.B. durch Aufdampfen im Vakuum durch die Masken, um Anschlüsse möglich zu machen, und um nahezu die gesamte gewünschte Hinterlegung zu erhalten. Zu diesem Zweck wird nacheinander jedem Elektrodenpaar Energie zugeführt, während den Elektroden Masse zugesetzt wird, bis sich die Frequenz nahezu auf die gewünschte Frequenz f verschiebt. Der Vorgang wird für alle Elektrodenpaare wiederholt. Während dieses Vorgangs für ein Elektrodenpaar bleiben die anderen offen. Jedoch kann es notwendig sein, die Wirkung der anderen Paare zu beseitigen, indem sie induktiv abgeschlossen werden. Die aufgebrachten Teile 24 werden hinzugefügt, um die notwendigen einzelnen Kopplungen zur Erzielung der gewünschten Bandbreite Bw zu erhalten.

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Den Platten 40 bis 62 wird dann Masse zugesetzt, um sie weiter zu hinterlegen, bis jedes Paar für sich allein mit f in Resonanz kommt, und die Bandmittenfrequenz des Systems f beträgt.

Gemäss einem, weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Kristallmaterial zwischen den Elektrodenpaaren zur Durchfüh- ^ rung der Feinabstimmung durch Ätzen entfernt. Dies ist durch die

Anordnung der Fig. 20 dargestellt. Hier bilden die Elektroden 80 als Elektrodenpaare auf einer Kristallscheibe 82 Resonatoren im Zustand mit geregelter Kopplung. Die Ausnehmungen 84 zwischen den Elektrodenpaaren dienen dazu, die Bandbreite herabzusetzen, während die Bandmittenfrequenz f vergrössert wird, die zwischen zwei benachbarten Paaren entsteht, wenn sie allein betrachtet werden. Ein aufgebrachtes Teil 86 entsprechend dem aufgebrachten Teil 24 dient der gleichen Einstellfunktion, wie das aufgebrachte Teil 24. Eine Quelle S, die das erste Elektrodenpaar mit Energie versorgt, erregt hierbei die Kristallscheibe 82. Das letzte Elektrodenpaar versorgt einen Belastungswiderstand R mit Energie.

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Claims

Patent ans ρ r ü c he

i.J Energie-Übertragungseinrichtung, die aus einem Kristallkörper (18; 64; 82) besteht, ferner aus wenigstens einer ersten Plattenanordnung (1Oi 12; 40, 42; 80, 80) auf dem Körper, um mit der mechanischen Energie im Körper in Wechselwirkung zu treten, weiterhin aus einer zweiten Plattenanordnung (14, 16; 44, 46; 80, 80) auf dem Körper, die einen Abstand von der ersten Plattenanordnung hat, um mit der mechanischen Energie im Körper in Wechselwirkung zu treten, wobei jede Plattenanordnung einen Resonator von einem Paar von gegenseitig gekoppelten Resonatoren bildet, die zusammen voneinander unabhängige Resonanzfrequenzen zeiger wenn der Körper erregt wird, derart, dass ein Energieband zwischen den Resonatoren übertragen werden kann, Wobei der Körper eine stetige Masse hat,

dadurch gekennzeichnet, dass

die effektive Masse des Körpers (24; 70, 72; 84) im Raum zwischen der ersten und der zweiten Plattenanordnung geändert wird, um das übertragene Energieband mit einem gegebenen Energieband in Übereinstimmung zu bringen.
2. Energie-Übertragungseinriehtung nach Anspruch 1,

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dadurch gekennzeichnet, dass der Körper eine Scheibe enthält, und dass jede Plattenanordnung ein Elektrodenpaar auf entgegengesetzten Flächen der Scheibe enthält.
3. Energie-Übertragungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass ein Material, das zwischen der ersten und der zweiten Plattenanordnung aufgebracht wird^ die Masse des Körpers ändert.
4. Energie-Übertragungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus einem aufgebrachten Teil in Form eines Flecks besteht (24, Fig. 1).
5. Energie-Übertragungseinrichtung nach Anspruch 3, , dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus einem aufgebrachten Teil in Form eines Streifens besteht (24, Fig. 17).
6. Energie-Übertragungseinrichtung nach Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass

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eine Ausnehmung (84, Fig. 20) im Körper zwischen den Plattenanordnungen gebildet wird.
7. Energie-Übertragungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Körper weitere Plattenanordnungen (Fig. 18-20) vorgesehen werden.

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