DE2131170C3

DE2131170C3 - Piezoelektrischer Energieeinfang-Resonator für Filteranwendungen

Info

Publication number: DE2131170C3
Application number: DE2131170A
Authority: DE
Inventors: Don Arthur Chagrin Falls Ohio Berlincourt (V.St.A.)
Original assignee: Vernitron Piezoelectric Division Cleveland Ohio (vsta)
Current assignee: Vernitron Piezoelectric Division Cleveland Ohio (vsta)
Priority date: 1970-06-24
Filing date: 1971-06-23
Publication date: 1974-03-14
Also published as: FR2099299A5; DE2131150A1; US3614483A; DE2131170B2; GB1361622A; FR2099298A5; US3699484A; GB1358596A; DE2131150B2; DE2131170A1

Description

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Gebiet eingefangen ις Elektrodengebiet. ., nimmt die akusti-._xpu„_t-....w.. ab. Daher können .,η mittels einer ausreichenden zwei einzelne acuciuen mitteis cm ._vescnt.

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Fa.. ergibt die Verkopp.ung^^t^n^

, isoliert sind, kann die· ,,, Schaltungen erfolgen, um oj-Huervcmncn zu erhalten Ein Koppel-Dicken-Scher-Betrieb ist in den Schnf,,n

Ϊ Flec.ronics _and Com"'. Eng,(Japan). VoI Jt,. =5 Mül Fiter" Ι'« ΙΓΐΙΐΐ; lmcrnalional Co.ivcn......

5tsonator nach Ansprüchen , bis 3 dadurch «.ekennzeichnet, daß die Platte (1) Bleizirkonal-Bleititanat-Keramik enthält.

5. Resonator nach Ansprüchen 1 b.s 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Matte (1) an ihren Endbereichen von akustisch da- .pfendem Matefranzösische l'atcniscmui > -^--. —, in der ein monolithisch aufgebautes keramisches Bandpaßfilte; für 10,7 MHz eelehrt wird, und ein Aufsatz ir; äACUSTICA«. Vol. 21 (1%9), Nr. 6, S. 351 bis 357, in dem ein monolithisches Bandpaßfilter au·

-^: -'cktrischen Reso

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7 Piezoelektrischer Energ.ee.nfang-Resonator

für Filteranwendungen nach einem der vorhereehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Elektrodenpaare (9, 10) auf den Oberflächen der Platte (1) so angeordnet sind, daß eine akustische Kopplung zwischen benachbarten Resonatoren (6, 7) vorhanden ist

8. Resonator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Platte () m der Größenordnung der Breite der Platte (1) hegt.

Die Erfindung betriff, einen piezoelektrischen Resonator für Filteranwendungen, der auf dem hnergic-

cinfangprinzin beruht und mindestens ein Paar Lick-

troden besitzt. . .

Piezoelektrische Resonatoren auf dem Prinzip des Jedoch lieg

,.,einen.über 4 M m. _nicdrigercn Frequenzen

Bandpaßnlt 1, üic t» _Ra(Jjo

arbeiten, werdcn f*h bcnuUt ^^ ^ empfangern fu^^mph ^u^^{n n} _{Mni die aIlgemcin}

ganger haben ^Iy*M q ^ _vcrvvcncien

bei 455 1kHz oa - _{cn und Kap;izit}a,cn

ZF-P II·u mit a^κ in _{krdscn odcr}. _al,ch

aufgeba en gtk PPcltui _{rischer Kcramik}.

^^^^cn. die 'radiale Schwingungen ausführen und zu einem Filter verbunden sind (siehe ζ B das USA.-Paten. 3 423 750). Die große Anzahl individueller Komponenten, dice..« individuelle Blhaiuilung fordern führt ^^^_toKn Verl. LU chkuBpn^uj ^ ^^

fur "^^¹^^«¹,. ⁸ _{außer dcm} Mittelpunkt der

frei beweglich sein müssen, um bei der fre> ^be*g _{allel zur} Scheiben-

schem Kristall (z.B. Quarz) oder piezoelektrischer η ^d" ^>>Zeitf ^ _bis ,^_{0 wird} lediglich ange-

Kcramik mit einem. Paar kleiner, auf gegenüber- ^l und 2 h. ^_{n Rcsonatoren mit}

liegenden Plattcntlächcn liegenden Elektroden bc- dtutet, dau nc Schwingungen auch in der

stehen, laufen die' Schallwellen in Richtungen, d.e rechteckigen "J^ > f _{werdcn könne}n,

parallel zur Richtung der kleinsten Ausdehnung 65 R chtunj der ^J"^»,,^,,^, Breite ab-

Xkensch-erung/Dickendehnung erfolgte (W. nicht bekannt.

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Die piezoelektrischen Energieeinfang-Resonatoren können als einstufige Fälter in Verbindung mit einer Rückkopplungsverstärkerschallung auch zur Erzeugung von Schwingungen verwendet werden,

Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorteile des bei dem Prinzip des Energieeinfangpr.nzips möglichen monolithischen Aufbaus — kleine Größe, zuverlässige und stoßunempfindliehe Arbeitsweise, geringe Herstellungskosten — auch bei Resonatoren für Filteranwendungfin für Frequenzen zu erreichen, die unterhalb von 4 MHz liegen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Resonator im Breitenschwingungsbetrieb arbeitet, indem eine langgestreckte Platte von im wesentlichen einheitlicher Breite vorgesehen ist. tue wenigstens in einem von ihren Längr.enden entfernten Teil piezoelektrisch ist und in Richtung der Breite beim Anlegen eines elektrischen Wechse'feldcs schwingen kann, und daß mindestens das eine Paar von Elektroden auf der Oberfläche der Platte so angeordnet ist, daß ein von den Längsenden entfernter piezoelektrischer Teil der Platte zu Breitendehnungsschwingungsn angeregt wird, deren Resonanzfrequenz von der Breite der Platte abhängt.

Das hat unter anderem den Vorteil, daß auch Frequenzen weit unterhalb von 4 MHz angeregt werden können, ohne daß die Vorteile der monolithischen Bauweise verlorengingen.

Gemäß einer günstigen Weiterbildung, die eine niedrige Impedanz aufweist, belinden sich die Elektroden auf den Hauploberflächen der Platte.

Gemäß einer anderen günstigen Weiterbildung, die eine hohe Impedanz aufweist, befinden sich die Elektroden auf den Oberflächen der langen Kanten der Platte. " }

Besonders hohe Kreisgüte ermöglicht eine weiter·-' nützliche Ausgestaltung der Erfindung, bei der die Platte Bleizirkonat-Bleititanat-Keramik enthält.

Unerwünschte Schwingmoden werden besser unterdrückt, wenn nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform die Platte an den Endbereichen von akustisch dämpfendem Material getragen wird. Derartige unerwünschte Schwingmoden können teilweise auch dadurch unterdrückt werden, daß gcmä'J einer anderen günstigen Weiterbildung die Platte .Y'-Schnitt-Quarz-Kristall enthält, wobei die Breite der Platte parallel zur F-Achse des Kristalls verläuft.

Besonders günstige Wilterdurchlaßeigenschafteu erhält man gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, wenn weitere Elektrodenpaare auf der Oberfläche der Platte so angeordnet sind, daß eine akustische Kopplung' zwischen benachbarten Resonatoren vorhanden ist. Günstig ist es auch, wenn die Dicke der Platte in der Größenordnung der Breite der Platte liegt.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der neuen Erfindung ergeben sich aus den Darstellungen von Ausführungsbeispieien sowie aus der folgenden Beschreibung. Es zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Resonator in einer Testschaltung,

Fig. la eine geeignete Ausrichtung einer Quarzkristallplatte, die fü.· den Resonator der Fig. I verwendet werden kann,

Fig. Ib eine Abwandlung der Art, in der die Leitungen an die Elektroden in F i g. 1 angeschlossen

Fig. 2 einen Resonator mit einer anderen Elektrodenanordnung,

Fig, 3 zwei Resonatoren des Typs nach Fig. 1, die ?.u einem gekoppelten Filter vereinig· sind,

Fig. 4 zwei Resonatoren in Koppel-HHeranordnung mit einer anderen Elektrodenanordnung,

Fig. 5 vier Resonatoren, die ähnlich der Fig. 3 zu einem gekoppelten Filter vereinigt sind.

Fi g. I zeigt einen Resonator gemäß der vorliegenden Erfindung. Die piezoelektrische Platte 1 kann in geeigneter Weise von einem piezoelektrischen Kristall abgeschnitten sein oder aus passendem keramischem Material gebildet und in der Dickenrichtung gepolt werden. Geeignete-Materialien sind beispielsweise feste Lösungen aus Bleizirkonat und Bleitilanat, Bariumtitanat und Bleimetaniobat. Modifizierte Bleizirkonat-Blcititanat-Zusammensetzungen, die sich für diese Verwendung besonders gut eignen, sind in den USA.-Patenischruten 3 006 857 und 179 544 offenbart.

Die Elektroden 3. 4 sind an den Hauptflächen der Platte 1 nahe ihrem zentralen T. U befestigt. Sie können mit verschiedenen bekannten Jllekirodentechniken, vorzugsweise jedoch durch eine Vakuummetallablatierung gebildet werden. Wenn eine Keramikplatt;: benutzt wird, kann diese polarisiert werden durch Anlegen der Polarisierungsspannung an die gegenüberliegenden Elektroden. Die^ resultiert in einer piezoelektrischen Aktivität lediglich in dem Bereich neben den Elektroden. Alternativ kann die Polarisierungsspannung ar. vorübergehend angebrachten Elektroden, die die Hauplflächen teilweise oder vollständig bedecken, angelegt werden, und dies kann noch vor der Bildung der endgültigen Elektroden geschehen.

Für den Betrieb bei der Grundfrequenz der Breitensehwingung sind an die Mittelpunkte der Elektroden dünne Drähte 12. 13 angelötet oder auf andere Weise befestigt. Für den Betrieh bei der eisten Oberschwingung können die Verbindungen etwa ein Sechstel des Weges von einer der beiden Kanten nach innen oder im Mittelpunkt hergestellt werden. Die anderen Enden tier Drähte sind mit den Anschlüssen 18. 21 verbunden, die schcmatisch dargestellt j sind. In der Praxis können geeignete Anschlüsse von den Wänden eines nicht gezeigten Schutzgehäuses ausgehen und sich durch dieses hindurch erstrecken, unter gleichzeitiger Bildunii einer Halterung für die Platte 1.

In Fig. 1 ist der erfindiingsgemäßc Resonator in einer Testschaltung dargestellt, die einen Signalgenerator 22 mit variabler Frequenz und ein Strommeßgeräl 24 aufweist.

Wenn mittels des Generators 22 ein Wcchselspanmings'signal an die Elektroden 3. 4 angelegt wird, führt der bekannte piezoelektrische Effekt dazu, daß das piezoelektrische Material im Bereich zwischen den Elektroden synchron mit dom Signal schwingt. Wenn daher die Frequenz des Generators 22 über einen ausreichend großen Bereich verändert wird, können eine Vielzahl von mechanischen Resonanzen aufeinanderfolgend erregt und mit Hilfe der Stromspitzen, die bei 24 angezeigt werden, ermittelt werden. Wenn die Platte 1 eine keramische Platte ist, ist die unterste Resonanzfrequenz eine Längendchnungsresonanz. Bei dieser Frequenz ist die Länge der Platte gleich einer halben Wellenlänge für eine Dchnungswelle, die sich in Längenrichtung fortpflanzt.

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Die Platte als Ganzes streckt sich und zieht sich zusammen synchron mit dem angelegten Signal, wobei maximale Beanspruchung, dot!', minimale Verschiebung im Mittelpunkt der !'latte auftritt. Die gesamte Platte wirkt daher als Resonator. Längendehiuingsobersehwingungen können ebenfalls erregt weiden.

Bei höheren Frequenzen kann eine Breitenausdelinungsresonan/ enegt werden, und diese Betriebsweise wird bei der vorliegenden Erfindung benutzt. Alternativ können B reitenausdehnungsoberseh windungen verwendet werden. Bedingt durch Fnergieeinfang treten die Schwingungen parallel zur Breite nur unter und relativ nahe den Flektroden auf. Daher stellen die Elektroden 3 und 4 zusammen mit dem zwischcnliegcnden piezoelektrischen Material einen Breitenausdchniingsresonator 6 dar. Ks wird darauf hingewiesen, da 1.1 anders als bei bekannten Energieeinfangresonntoren der Resonator der I'ig. I in der Breiten- und Dicken-Richtung der Platte ohne Einschränkung ist. Die Länge der Platte sollte so ;uis gewählt werden, daß die l.ängendehnungsoberwellen nicht in die Nähe der gewünschten Breiicnschwingungsresonanz fallen. Darüber hinaus k,innen die Längensehwingungen durch Kissen oder Blöcke aus schwingungsabsorbierendem Matetial 25 an der Platte I an den F.ndbcicichcn befestigt oder gegen sie gepreßt werden. Kissen 25 können aus Silikongummi mit schwingungsabsorbierender Eigenschaft oder aus Epoxydharz hergestellt werden. Dies entlastet die Leitungen 12. 13 davon, die Platte 1 zu tragen und schallt einen Resonator, der starken mechanischen Erschütterungen und Vibrationen ohne Beschädigung widerstehen kann.

Da die Breitenausdehnungsarbeitsweise bei diesem Resonator ausgenutzt wird, ist die i.iinstiifunc der eewünschten Resonanz in dem Frequenzspektrum durch die Auswahl einer passenden Breite für die Platte 1 bestimmt. Falls eiwiinscht. kann die Platte in der Breite eine leichte Übergröße haben, um eine endgültige Freqiien/justierung durch Schleifen oder ein andersartiges [Entfernen von piezoelektrischem Material von den Kantenobertlächen in der Nähe des Resonators vorzunehmen. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die Benutzung keramischer Platten. Jedes geeignete piezoelektrische Material kann verwendet werden, z. B. eine Platte aus A-Sehnitt Quarz, wie in F'ig. la gezrjgt. Mit senkrecht zur A'-Achse angeordneten Elektrode, wie gezeigt, ist die einzige piezoelektrische Erregung in Ouarz eine Ausdehnung entlang der Y- und A'-Achse. Die Platte ist so ausgerichtet, daß die K-Achse parallel zur Breite verfäuft. Daher können die erwünschten Breitenausdehnungsschwingungen induziert werden. Diese Anordnung beseitigt weitgehend Schwierigkeiten auf Grund von Längenausdehnungsschwingungen, da es keine piezoelektrische Erregung entlang der Z-Achse gibt.

Fig. Ib zeigt eine andere Anordnung zur Herstellung der elektrischen Verbindungen zu den Elektroden der Fig. 1, und eine ähnliche Einrichtung kann bei anderen Ausführungen benutzt werden. Ein schmaler Streifen aus leitendem Material ist auf der Platte angebracht und erstreckt sich von der Elektrode 4 zum Ende der Platte, wo die Leitung 14 angebracht ist. In ähnlicher Weise erstreckt sich ein leitender Streifen 31 von der Elektrode 3 zu dem Ende der Platte, an die die Leitung 12 angebracht ist. Da an den Enden der Platte bei Arbeitsfrequenz des Resonators keine Schwingungen entstehen, hat die Befestigung der Leitungen, so wie sie gezeigt ist keinen unerwünschten F.infliiß. Vorzugsweise ist du Platte in dieser Konstruktion nur in der Gegend de Resonators und der unmittelbaren Umgebung polari sierl, und dies wurde vor Aufbringen der leitendei Streifen 30 und 31 vorgenommen.

In allen Figuren werden Elektroden gezeigt, dii sieh bis zu den Kanten der Oberflächen, auf donor sie montiert sind, erstrecken. Jedoch kann es au·

ίο Hei Stellungsgründen wünschenswert sein, die Flek (roden etwas kleiner zu machen, so daß sie jeru Kanten nicht ganz erreichen. In den Ausfiihriingei der Fig. I. 3. 5 kann diese Reduzierung der Flek trodenausdehnung auch deshalb erwünscht sein, wei

is sie die elektromechanische Kopplung des Resonator' leicht verbessert.

Die elektrische Impedanz des Resonators nacl Fig. I hängt \on der Dicke der Platte ab. Dahe kann die Impedanz durch Aussuchen einer passendei Dicke in der Ausführung gesteuert werden. Die mini male Dicke ist durch praktische mechanische ('bei legungen bestimmt. Wenn die Plattendicke ei höh wird und sich der halben Wellenlänge nähert, arbeite der Resonator in einer Kombination aus Breiten und Die* .nsehwinguiig. Bei Anwendungen, wo noel höhere elektrische Impedanzen erwünscht sind, kam die piezoelektrische Platte mit Elektroden auf dei Kanlenlläehen. wie in Fig. 2 gezeigt, ausgeriisie werden. Wenn die Platte von Kristallmaterial abge schnitten wird, muß die Orientierung geeignet aus gewählt weiden, um eine piezoelektrische Wirkuni als Breitenschwinger zu erhalten. Falls es sich im eine keramische Platte handelt, sollte sie über dii Breite polarisiert werden. Mit dieser Elektroden anordnung verändert sich die elektrische Impedanz im Verhältnis zur Breite der Platte.

Fig. 3 zeigt ein gekoppeltes Filter aus zwei Brei tenschwingeresonatoren der Art. wie sie in Fig. ! gezeigt sind. Die Elektroden 3, 4 stellen den Resona tor6 wie in Fig. I dar. Die Elektroden 9. 10 bilder einen zusätzlichen Resonator 7. Eine Sicnalquelle 2( mit einem Widerstand 27. der ausgewählt ist. um da·· Filter geeignet abzuschließen, ist mit dem Resona tor 6 über die Eingangsanschlüssc 18. 21 verbunden Die Elektroden 9. 10 des Resonators 7 sind übei flexible Leitungen !4. 15 mit Ausgangsansc.Hüsscr 19. 20 verbunden, an denen ein AbschfußwidcfstanL 23 angeschlossen ist. Die Platte 1 kann, wie ir Fig. 1, auf Dämpfungskissen gehalten werden.

Infolge der engen Nachbarschaft der Resonatorer ergibt sich eine akustische Kopplung zwischen der Resonatoren. Wenn daher der Resonator 6 mittel; des Generators 26 mit der ausgewählten Breitenresonanzfrequenz oder einer nahe daran liegenden Fre-

quenz erregt wird, wird Energie akustisch auf der Resonator 7 übergekoppelt, der über der Last 23 eir elektrisches Signal erzeugt. Wenn der Abstand zwi sehen den Resonatoren ausreichend klein ist. erzeugt die kritische oder überkritische Kopplung Bandpaß-

eigenschaften.

Fig. 4 zeigt ein Zwei-Resonatorenfilter ähnlicli dem Filter nach Fig. 3. jedoch mit Elektroden aul den Kanten der Platte, wie in Fi g. 2, um eine höhere elektrische Impedanz zu erreichen. Die Platte 1 kann in der gleichen Art gehalten werden, wie es ir Γ; ■·. 1 gezeigt ist.

Fig. 5 zeigt ein gekoppeltes Filter mit vier Resonatoren. Die Platte 1 kann wie in F i e. Γ montier!

sein. Die vier Resonatoren entsprechen den Elektroden 33. 34, 35. 36 auf der oberen Oberfläche der Platte 1. Die Gcgenclektroden auf der unteren Flüche sind zu einer kontinuierlichen Elektrode 37 vereinigt. Die Arbeitsweise ist im wesentlichen die gleich.., wie mit getrennten Elektroden, obwohl es notwendig sein kann, den Abstand der Elektroden 33 bis 36 wieder zu justieren, um die gleich: Bandbreite zu erzeugen. Auf diese Weise wirken /.. B. die Elektrode 33 und der Teil der Gegenelektrode 37 gegenüber der Elektrode 33 wie ein Paar separater Elektroden und sind diesen äquivalent, die zusammen mit dem benachbarten piezoelektrischen Material einen Breitenschwingerresonator gemäß F i g. 3 bilden. Die Verwendung einer gemeinsamen Elektrode hat den Vorteil der Reduzierung der Anzahl von Verbindimgsk'itungen. die auf ilen Elektroden be festigi werden müssen und verringert dadurch die Kosten und steigert die Verläßlichkeit. Jedoch muß Sorge dafür getragen werden, daß eine nennenswerte Impedanz des Kreises von der gemeinsamen Elektrode nach Müsse vermieden wird. Die gemeinsame Ciegenelektrodenanordnung kann in den Ausführungen nach den F i g. 3 und 4 ebenso benutzt werden, und, falls erwünscht, können gelrennte Elektroden an Stelle der gemeinsamen Elektroden 37 in dem AiiF.Uhriingsbeispiel nach Fi g. 5 benutzt werden.

Die Filter dieser Erfindung unterscheiden sieh strukturell von bekannten gekoppelten Filtern dadurch, daß die Elektroden sich nach beiden Kanten oder naht./u an die Kanten der Oberfläche, an die sie angebracht sind, erstrecken.

Funktionell unterscheidet sich die Wirkung der Resonatoren dieser Erfindung von bekannten dadurch, daß die vorliegenden Resonatoren in ihrer ausgewählten Betriebsart frei sind, sowohl in der Breiten- als auch in der Dieken-Richtung der Platte zu schwingen, wohingegen Resonatoren der bekannten gekoppelten Filter in ihrer ausgewählten Betriebsweise lediglich frei sind, in der Dieken-Richtung zu schwingen. Die Wellenfortpflanzung in einem Resonator,

ι» der entsprechend dieser Erfindung arbeitet, ist parallel zur Brcitendimcnsion der Platte. Bekannte Einschlußencrgie-Resonatoren und gekoppelte Filier haben eine Wellenfortpflanzung parallel zur Dicke • !er kleinste Dimension der Platte. Für die besten l.igibnisse bei gekoppelten Filtern sollte die Bn Ui' der Platte 1 in der Nähe der Resonatoren in Längsrichtung innerhalb eines Prozentsatzes konstant sein. der sehr klein, verglichen mit der Prozentbandbrei;¹ des Filters, ist. Abweichungen in der Konstanz vi«' Dicke und Länge der Platte haben wenig oder keinen Effekt auf die Wirkungsweise der Filter. Im Gegensatz dazu braucht bei bekannten gekoppelten Filtern mit Dickenschwingung die seitliche Dirnen sion nicht sorgfältig kontrolliert zu werden, jedo·:::

muß die Dicke innerhalb enger Grenzen gehab werden.

Bei Frequenzen weit oberhalb der Arbcitsfrequi.· des Filters können Diekenausdehnungsrcsonan^ und OberschwinguiH'en erregt werden. AllgemcM:

jedoch schaffen die in dieser Erfindung benutzt·, r Elektroden keine Voraussetzung für eine Arbci' weise ....·> Dickerisciiwinger-Koppelfilter.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Piezoelektrischer Energieeinfang-Resonator für Filteranwendungen mit mindestens einem Paar von Elektroden, dadurch gekennz e i c h η e t, daß der Resonator (6) im Bie.ten-Schwingungsbetrieb arbeitet, indem eine langgestreckte Platte (1) von im wesentlichen einheitlicher Breite vorgesehen ist, die wenigstens ιη einem von ihren Längsenden entfernten Teil piezoelektrisch ist und in Richtung der Breite £f Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes (22) schwingen kann und daß das mindestens eine Paar von Elektroden (3, 4) auf der Oberflache der Platte (1) so angeordnet ist, daß em von den Längsenden entfernter piezoelektrischer Teil der Platte (1) zu Breitendehnungsschwingungen angeregt wird, deren Resonanz-Frequenz von du Breite der Platte (D abhängt.

2. Resonator nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Elektroden (3 4) auf den Hauptoberflächen der Platte (1) befinden.

3. Resonator nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß sich die Elektroden (3 4) au den Oberflächen der Sangen Kanien der Platte (1)

bis ,ρ . _{£ e}

die akust sU>e t-nβ ^

«st. das η enrvi^e' |' _{d bi}