DE2040956C - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen niederfrequenven piezoelektrischen Resonator mit einem Unterteil mit einem Paar gegenüberliegender, mit diesem verbundener Ssitenwände und daran angebrachten elektrischen Zuleitungen mit Fäden, die sich parallel zwischen den Seitenwänden erstrecken, mit piezoelektrischen Keramikresonatoren aus rechteckigen dünnen Platten, die Biegeschwingungen ausführen können und getrennt voneinander an den Fäden befestigt sind, so daß sie unabhängig voneinander schwingen können, und mit elektrischen -Verbindungen zwischen den Resonatoren und den elektrischen Zuleitungen.

Es ist beispielsweise aus der schweizerischen Patentschrift 216 054, den USA.-Patentschriften 324, 1884 678 und 2470609 sowie »Fre quenz«, Bd. 18, Nr. 9, S. 277 bis 280 (September 1964), bekannt, daß sich eine niederfrequente piezoelektrische Resonatoranordnung aufbauen läßt, indem man einen piezoelektrischen Quarzresonator aus einer rechteckigen dünnen Platte aufbaut, der ·όπ Schleifen biegsamer Fäden umgeben ist, dk in den Knotenlinien der Schwingungsart des Quarzresonator angeordnet sind.

Bei derartigen niederfrequenten piezoelektrischen Resonatoranordnungen ist jedoch nachteilig, daß sie sehr viel Raum einnehmen und sehr schwer sind, dies insbesondere im Frequenzbereich von 2 bis 80 kHz. und wenn eine Vielzahl derartiger Anordnungen

ίο eingesetzt wird, wächst das Gesamtgewicht und das Gesamtvolumen sehr stark an, weil jeder Resonator Unterteil. Seitenrahmen, Abstützungen. Gehäuse usw. benötigt. Der leere Raum innerhalb der Vorrichtung ist dann sehr viel größer als das Vo-

.5 lumen des Resonators selbst, und das Gewicht der Gesamtanordnung setzt sich im wesentlichen aus dem Gewicht des Unterteils, der Rahmen, der Stützeinrichtungen und des Gehäuses zusammen.

Weiterhin ist bei derartigen Anordnungen nachteilig, daß sie beim Zusammenbau zeitraubende Arbeitsschritte erfordern, gegen mechanische Stoß- und Schwingungsbeanspruchung nicht stabil genug sind und daß infolge der Fäden oder elektrischen Zuleitungen Störresonanzen auftreten können, die bei einer geringfügigen Verschiebung der Fäden auf dem Resonator oder infolge von mechanischen Stößen und Schwingungen auftreten können. Weiterhin lösen sich die Fäden und die elektrischen Leitungen leicht ab, da ihre Klebe- ader Weichlötverbindungen mechanisch nicht stabil g;enug sind.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine niederfrequente piezoelektrische Resonatoranordnung mit mehreren piezoelektrischen Keramikresonatoren zu schaffen, die trotz der Verwendung mehrerer piezoelektrischer Keramikresonatoren klein und leicht ist, sich unschwer zusammensetzen läßt, eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Stöße und Schwingungen aufweist und frei von Störresonanzen ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß jeder der Resonatoren Löcher aufweist, die im wesentlichen in den Knotenpunkten der Biegeschwingungen der dünnen Platte liegen, und daß die Fäden sich durch die Löcher hindurcherstrecken.

Bei dieser Lösung ist vorteilhaft, daß die niederfrequente piezoelektrische Resonatoranordnung sich klein und leicht ausführen läßt, da die Vielzahl keramischer Resonatoren nahe beieinander auf einem Socke! angeordnet werden können. Die niederfrequente piezoelektrische Resonatoranordnung ist gegenüber mechanischen Stößen und Schwingungen kaum empfindlich, da die Haltefaden sich lediglich durch die piezoelektrischen Keramikresonatoren hindurcherstrecken, ohne an ihnen angeklebt oder angelötet zu sein, wie es nach dem Stand der Technik der Fall war. Eine Lösung der Fäden vom Resonator ist also nicht möglich, und es ist sehr schwer für die Resonatoren, sich zu verschieben oder die Stellung zu ändern.

Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erßndung sind zwei Fäden und zwei piezoelektrische Keramikresonatoren vorgesehen, deren jeder auf der gegenüberliegenden Hauptflächen geteilte Elektroder sowie zwei Löcher aufweist, die jeweils um das 0,165- bis 0,265fache der Länge von den Enden entfernt angeordnet sind, und daß jeder der Resonatoren an jedem der Löcher zwei Anschlüsse aufweist die mit den geteilten Elektroden jeweils in Berührung

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stellen, während zwei Isolierringe zwischen die zwei sich gegenüberliegenden Anschlüsse von verschiedenen Resonatoren eingefügt sind und die aus Fadenmaterial (»gut«) bestehenden Fäden sich durch die Löcher, die elektrischen Anschlüsse und die Isolierringe hindurcherstrecken. Bei dieser Weiterentwicklung ist vorteilhaft, daß sich eine solche piezoelektrische Resonatoranordnung durch weiter verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen Stoß- und Scnwingungsbeanspruchungen auszeichnet, daß sich die Einfügungsdämpfung und die Abweichung der Frequenz maximaler Ausgangsspannung von der Resonanzfrequenz der Biegeschwingung erheblich \ erringen läßt, da wegen der verwendeten Zuleitungen keine elektrischen Anschlüsse an den Elektroden des Resonators angebracht zu werden brauchen, und daß sich die Technik des Zusammenbaus weiter vereinfachen läßt.

Die Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen.

Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung einer niederfrequenten piezoelektrischen Resonatoranordnung nach vorliegender Erfindung;

F i g. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines piezoelektrischen Keramikresonators mit vier Anschlüssen, wie er in der vorliegenden Erfindung verwendet wird:

F i g. 3 a ist eine perspektivische Ansicht eines anderen Typs eines piezoelektrischen Keramikresonators mit vier Anschlüssen, wie er in vorliegender Erfindung verwendet wird;

F i g. 3 b ist ein Schnitt entlang der Schnittlinie Y- Y' der Fig. 3 a;

F i g. 4 a ist der Aufriß einer abgeänderten piezoelektrischen Resonatoranordnung nach vorliegender Erfindung;

Fig.4b ist ein Schnitt entlang der Schnittlinie Y- Y' ii. Fi g. 4 a;

F i g. 5 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Form der piezoelektrischen Resonatoranordnung nach vorliegender Erfindung.

F i g. 1 der Zeichnung zeigt die vorgezogene Ausführungsform einer neuartigen Anordnung eines piezoelektrischen Niederfrequenzresonators nach vorliegender Erfindung, der als Ganzes mit dem Bezugszeichen 1 beziffert ist. Diese Anordnung weist einen Unterteil 1 mit einem Paar gegenüberliegender Seitenwände 3 und 4 sowie viei elektrische Leitungen 5,6, 7 und 8 auf. Zwei Fäden 9 und 10 erstrekken sich parallel zueinander zwischen den Seitenwänden 3 und 4. An diesen Fäden 9 und 10 sind, getrennt voneinander, zwei piezoelektrische Keramikresonatoren 11 und 12 befestigt. Die gesamte Anordnung 1 befindet sich in einem Gehäuse 13 mit einer Auskleidung 14.

Unterteil 2 kann mit den Seitenwänden und eingeformten elektrischen Zuleitungen einteilig aus einem bekannten Kunstharz hergestellt werden. Die beiden piezoelektrischen Keramikresonatoren 11 und 12 sind in Form und Größe miteinander identisch. Sie werden einzeln als elektromechanische Filter betrieben, indem sie auf der Resonanzfrequenz Biegeschwingungen ausführen.

Jeder der Resonatoren hat zwei Löcher, die sich im wesentlichen in den Knotenpunkten der Biegeschwingung bei Resonanz befinden. Quer durch die Löcher der Resonatoren 11 und 12 erstrecken sich die beiden Fäden 9 und 10, die aus flexiblem Isoliermaterial bestehen, wie z.B. Seidenraupenfäder. (»silk worm gut«). Nylonfäden (»Nylon gut«) usw.

Diese Fäden halten die Resonatoren 11 und 12 in einer normalerweise horizontalen Lage zwischen den Seitenwänden 3 und 4.

Die Fäden 9 und 10 können die Resonatoren 11 und 12 im schwebenden Zustand halten und schützen sie so gegen Stoß und Schwingungen.

ίο Die Resonatoren 11 und 12 sind auf irgendeine geeignete und anwendbare Weise mit den elektrischen Anschlüssen 5. 6. 7 und 3 verbunden.

Ein Metallgehäuse 13 mit einer isolierenden Auskleidung 14 schließt die Resonatoren 11 und 12 auf

bekannte Weise halbhermetisch gegen die Umwelt ab.

Fi g. 2 der Zeichnung ieigt einen piezoelektrischen Keramikresonator, der als Ganzes das Bezugszeichen Π tragt. Der Resonator 11 umfaßt einen piezo-

elektrischen Keramikkör ..r 15 in Form einer dünnen rechteckigen Platte. Ein Tapr Eingangselektroden 16 und 17 ist parallel zur Längsachse auf die gegenüberliegenden Hauptfiächen des Keramikkörpers aufgebracht. Desgleichen ist ein Paar Ausgangselektroden

2; 18 und 19 parallel zur Längsachse des Keramikkörpers 15 auf dessen Hauptflächen aufgebracht.

Die beiden Elektrodenpaare 16, 17 und 18, 19 liegen im wesentlichen symmetrisch zur Längsmittelachse X-X' des Keramikkörpers IS; an ihnen sind

feine Zuleitungsdrähte 20-21 bzw. 22-23 befestigt. Die Zuleitungen 20 und 21 sind mit den Anschlüssen 5 und 6 des Unterteils und die Zuleitungen 22 und 23 mit den Anschlüssen für den anderen Resonator 12 verbunden. Der Keramikkörper 15 ist in der Dickenrichtung polarisiert.

Eine Elektrode des Eingangselektrodenpaares, z. B. die Elektrode 16, dient als Ringangselektrode für das elektrische Eingangssignal, und die andere Elektrode 17 ist die gemeinsame, auf Massepotential befindliche Elektrode. Das andere Elektrodenpaar 18 und 19 dient analog als Ausgang?- und weitere gemeinsame Elektrode.

Wird an das Eingangselektrodcinpaar 16, 17 eine elektrische Eingangsspannung gelegt, steht an einer der Elektroden des Ausgangspaares, z. B. der Elektrode 18, ein vom Resonator 11 entwickeltes Ausgangssignal. Das elektrische Ausgangssignal der Elektrode 18 hat sein Maximum in der Nähe aer Biegeschwingungsresonanz des Resonators 11.

Der Keramikkörper 15 hat zwei Löcher 24 und 25, die sich in der Dickenrichtunt; durch diesen hindurcherstrecken.

Die Löcher 24 und 25 liegen im wesentlichen in den Knotenpunkten der resonanti.:n Biegeschwingung des Resonators 11, und zwar in dem Raum zwischen den Elektroden — z. B. 16 und 18 — auf der Hauptfläche d-s Keramikkörpers 15.

Der andere Resonator 12 gleicht in Elcktrodenkonfiguration und Größe dem in Fig.2 gezeigten Resonator 11. Es ist bei der Fertigung jedoch schwierig, die beiden Löcher der Resonatoren genau anzuordnen. In der Praxis wird der Lochabstand der Resonatoren vom gewünschten abweichen, und die beiden Löcher zweier Resonatoren werden einander auch nicht genau gegenüberliegen. Die Fäden 9 und 10, die sich zwischen den Seitenwänden erstrecken, bestehen aus flexiblem Material wie z. B. Seidenrauoenfäden (»silk worm eut<0. Nvlonfäden (»Nylon

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gut«) u. dgl. und halten die Resonatoren schwebend Die Einfügungsdämpfung dieses Resonators ist

fest, auch wenn die Löcher sich nicht genau am ge- gleich der eines Resonators, dessen Löcher genau in

wünschten Punkt befinden. den Knotenpunkten der Biegeschwingungen liegen.

Es wurde gefunden, daß die in F i g. I gezeigte pie- Die Resonanzabweichung eines Resonators mit in-

zoclcktrtsche Niederfrequenzresonatoranordnung in S ncrhalb des angegebenen Bereiches angeordneten

der Lage ist, hoher Beschleunigung, starken Schwin- Löchern kann weniger als etwa 3 ^e/o der Resonanz-

gungcn und kräftigen Stößen zu widerstehen. Die frequenz betragen.

Verwendung von Seitcnraupendarm, Nylonsaiten F i g. 4 a der Zeichnung zeigt die Anordnung und

u.dgl. dir die Fäden9 und 10 setzt die Auswirkun- die elektrischen Verbindungen des piezoelektrischen

gen von Stößen und Schwingungen auf den Resona- ίο Filters, das als Ganzes die Bezugszahl 36 trägt. Die

tor erheblich herab. Filtcranordnung 36 weist zwei piezoelektrische Kcra-

F i g. 3 a zeigt den im ganzen mit der Bezugszahl mikrcsonatorcn 37 und 38 auf, wie sie in F i g. 3 ge-

26 bezeichneten piezoelektrischen Keramikresonator. zeigt sind.

Der Resonator 26 weist einen piezoelektrischen Kc- Diese beiden Resonatoren 37 und 38 haben jeweils

ramikkörpcr 27 auf, der dem Keramikkörper 15 in 15 zwei Löcher 39, 40 bzw. 41, 42. Zwei Paare clektri·

F i g. 2 entspricht. scher Zuleitungen 43, 44 bzw. 45, 46 berühren die Hin Paar F.ingangsclcktrodcn 28, 29 und ein Paar beiden Elektroden auf den gegenüberliegenden Ausgangsclcktrodcn 30. 31 sind parallel zur Längs- Hauptflächen des Resonators 37, und zwar an den

mittclachsc X-X' auf die gegenüberliegenden Haupl- Löchern 39 und 40.

flächen des Keramikkörpers 27 aufgebracht. ao Zwei Paare elektrischer Zuleitungen 47, 48 und

Der Keramikkörper 27 ist in der Dickenrichtung 49, 50 stehen in Berührung mit den beiden Elcklro-

polarisicrt und hat zwei Löcher 32 und 34. die im den auf den gegenüberliegenden Hauptflachcn des

wesentlichen durch die Längsmittclachsc X-X' vcr- Resonators 38, und zwar an den Löchern 41 und 42.

|_auf_cn. Diese Zuleitungen bestehen aus leitenden Ringen.

Der piezoelektrische Keramikresonator 26 ist bc- »5 ^Dic Isolierringe 51 und 52 sind zwischen die bci-

züglich seiner Eigenschaft als clcktromcchanisches der· Zuleitungen 44, 47 bzw. 46, 49 eingesetzt, die

Filter und der ElcktrodcnanschlUssc mit dem Rcso- mit den beiden Resonatoren 37 und 38 gekoppelt

nator 1 identisch. ^s'ⁿd· Die Federn 53 bzw. 54 liegen zwischen der Sci-

Einc Elektrode des Eingangselcktrodcnpaarcs — tenwand 55 und den beiden Anschlüssen 48 bzw. 50

z. B. die Elektrode 28 - dient nk Eingangsclck- 30 des Resonators 38.

trode; die andere Elektrode 29 ist der gemeinsame ¹^c Anschlüsse sind elektrisch miteinander oder

Anschluß Das andere Elcktrodcnpaar 30. 31 dient mit Zuleitungen für die Resonatoranordnung — z. B.

als Ausgangsclcktrodc bzw. gemeinsamer Anschluß. für das piezoelektrische keramische Filter — vcrbun-

Dcr Resonator 26 hat optima.c Ausgangseigen- den. Die Anschlüsse 43, 44, 47 und 49 sind untercin-

schaftcn in der Nähe der Bicgcschwingungsrcsonanz. 35 ^andcr verbunden und dienen als Masseanschluß.

I i g. 3 b zeigt einen Schnitt durch den piczoclck- Der Anschluß 46 des Resonators 37 ist mit dem trischcn Keramikresonator 26 entlang der Schniltli- Anschluß des Resonators 38 gekoppelt. Der Annie V-Γ der Fig. 3 a. Es wird darauf hingewiesen. schluß 45 des Resonators 37 dient als Eingang des daß gleichartige Elemente analog mit Bezugszahlcn Resonators 36; Anschluß 50 des Resonators 38 dient versehen sind. 40 als Ausgang des Resonators 36.

Gemäß Fig. 3a und 3b erstrecken sich die Lö- Fig. 4b der Zeichnung zeigt einen Schnitt durch

eher 32 und 34 bis zu den beiden Elektroden auf den die Keramikresonatoranordnung 36 cnHang der

gegenüberliegenden Hauptflachcn; diese Elektroden Schnittlinie Y-Y' dc* Fig.4a.

liegen einander nicht gegenüber. Loch 32 ist z. B. Es wird darauf hingewiesen, daß gleiche Element

von einem Vorsprung 33 der Elektrode 28 auf der 45 analog beziffert sind. Ein Faden 56 erstreckt sich

oberen HauptHäche des Keramikkörpers 27 und von zwischen den Seitenwänden durch das Loch 39 des

einem Vorsprung der Elektrode 31 auf dessen gegen- Resonators 37, die Anschlüsse 43, 44 des Loches 39,

überlicgcnder Hauptscite umgeben. Das Loch 34 ist das Loch 41 des Resonators 38, das Anschlußpaar

von einem Vorsprung 35 der Elektrode 30 auf der 47, 48 des Loches 41, den Isolierring 5l und die Fe-

obercn Hauptfläche des Keratnikkörpen 27 und von 50 der 53. In gleicher Weise erstreckt sich der Faden 57

einem Vorsprung der Elektrode 29 auf der gegen- zwischen den Seitenwinden durch das ändert Loch

tiberliegenden Hauptfläche umgeben. 40 des Resonators 3t, durch das AnschluBpaar 45,

Die beiden Löcher 32 und 34 liegen im wesentli- 46 des Loches 40, das andere Loch 42 des Resona-

chcn in den Knotenpunkten der Biegesctavingungsre· tors 38. das AnschiuBpaar 49, SO des Loches 42,

sonanz des Resonators 26. SS durch den Isolierring Sl und die Feder 54.

Die Knotenpunkte des Schwingungstyps des Reso- Es wird darauf hingewiesen, daß die Anschlüsse

nators 26 sind um eine Entfernung von 0,224 / von- die Notwendigkeit vermeiden, Drahtleitungen an den

einander entfernt, wobei / die Gesamtlänge des K era- Resonatorelektroden anzubringen. In der Praxis ist

mikkörpers 27 ist. eine Lötverbindung an den AnschluCklemmen leich-

Es wurde jedoch gefunden, daß ein Betrieb mag- 60 ter zu erstellen und stabiler als eine Lot- oder Kielich ist, wenn die Löcher sich 0,165 liis 0,2651 von beverbindung an den Resonatcrelektroden.

jedem Ende des Keramikkörpers 27 entfernt befinden. Die Resonatoranordnung 36 der Fig.4 hat den

Ein Resonator 26 mit innerhalb dieses Bereiches weiteren Vorteil eines leichten Zusammenbaus. Die angeordneten Löchern ist gekennzeichnet durch ge- Verwendung von Fäden utageht die Notwendigkeit

ringe Einfügwngsdämpfung bezüglich des Ausgangs- 6s einer präzisen Ausrichtung der Resonatoren, d*.r Ansignals und durch nur geringe Abweichungen der schlösse und der Isolierringe.

Frequenz maximaler Ausgangsspannung von der Re- F i g. S zeigt eine besondere piezoelektrische Reso-

sonanzfrcquenz der Biegeschwingung natoranordnung 59 nach vorliegender Erfindung mit

drei piezoelektrischen Keramikresonatoren 60, 61 und 62, vie sie in den F i g. 2 und 3 gezeigt und beschrieben sind. Sie sind an den Fäden 63 und 64 befestigt, die sich zwischen den Seitenwänden des Unterteils 65 erstrecken.

Die Resonatoren 60, 61, 63 sind voneinander, wie in F i g. 4 a gezeigt, durch Isolierringe 66 und 67 getrennt und arbeiten unabhängig voneinander als biegeschwingende eleklromcchanisciic Filter.

Die elektrischen Anschlüsse an die Elektroden der Resonatoren der Anordnung 59 erfolgen durch die in Fig.4a gezeigten Zuleitungen oder durch Zuleitungsdrähtc, wie in F i g. 2 gezeigt.

Es wurde gefunden, daß gemäß der Erfindung die Resonatoren der Anordnung 59 getrennt auf mehreren verschiedenen Resonanzfrequenzen innerhalb eines bestimmten Frequenzbereiches betrieben werden können. Die Resonatoren 60, 61, 62 können mehrere .Resonanzfrequenzen innerhalb des Bereiches vom 0,75- bis l,8fachcn der Grundfrequenz der Anordnung 59 haben. Die Grundfrequenz der An-

Ordnung ist dabei die Resonanzfrequenz des Resonators, dessen Löcher genau in den Knotenpunkten der Biegesclnvingung liegen.

Wie man sieht, ist die Anordnung 59 durch Kompaktheit und einfachen Aufbau für eine Resonanzanordnung mit mehreren Resonanzfrequenzen gekennzeichnet. Die Anordnung 59 reduziert die Breite erheblich und ist äußerst leicht zusammenzubauen. Wie oben erwähnt, ist sie mich gegen Stöße und

ίο Schwingungen widerstandsfähig.

Wie man sieht, ist die Anordnung 59 für einen einzelnen Resonator wie auch für eine Vielzahl von biegcschwingendcn Resonatoren mit mehreren Resonanzfrequenzen geeignet.

Die piezoelektrische Nicderfrcquenzresonaloriinordnung nach vorliegender Erfindung kann für Trügerfrcqticnzfiltcr in Datenübertragungssystemeii innerhalb des Frequenzbereiches von 3,2 bis 6,4 kHz und für Pilotsignalfilter der Trägcrfrcquenztelepho-

nie im Bereich von 2 bis 80 kHz verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

309633/320

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Niederfrequenter piezoelektrischer Resonator mit einem Unterteil mit einem Paar gegenüberliegender Seitenwände und daran befestigten elektrischen Zuleitungen, mit Fäden, die sich parallel zwischen den Seitenwänden erstrecken, mit piezoelektrischen Keramikresonatoren aus rechteckigen dünnen Platten, die Biegeschwingungen ausführen können und getrennt voneinander an den Faden befestigt sind, so daß sie unabhängig voneinander schwingen können, und elektrischen Verbindungen zwischen den Resonatoren und den elektrischen Zuleitungen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Resonatoren (11 und 12) Löcher (24, 25; 32, 34) aufweist, die im wesentlichen in den Knotenpunkten der Biegeschwingui.^ der dünnen Platten liegen, und daß die Fä'l?n (9 und 18) sich durch diese Löcher erstrecken.

2. Resonator nach Anspruch 1, bei dem zwei Fäden und zwei piezoelektrische Keramikresonatoren vorgesehen sind und jeder der Resonatoren auf den gegenüberliegenden Hauptflächen geteilte Elektroden trägt, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Resonatoren (37 und 38) zwei Löcher aufweist, die von den Enden um das 0,165-bis 0,265fache der Länge entfernt liegen, und daß jeder der Resonatoren (37 und 38) an jedem der L.'eher (39 und <?0; 41 und 42) zwei Anschlüsse (43 und 44; 45 "nd 46; 47 und 48; 49 und 50) aufweist, die jeweils mit den geteilten Elektroden in Berührung steh?n, während zwei Isolierringe (51 und 52) zwischen die zwei gegenüberliegenden Anschlüsse (44 und 47; 46 und 49) eingefügt sind, die mit verschiedenen Resonatoren gekoppelt sind, wobei die Fäden (56 und 57), die aus Fadenmaterial (»gut«; bestehen, sich durch die Löcher, die elektrischen Anschlüsse und die Tsolierringe hindurcherstrecken.