DE2158858A1

DE2158858A1 - Elektromechanischer wandler

Info

Publication number: DE2158858A1
Application number: DE2158858A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl Ing Kuenemund
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-07-06
Filing date: 1971-11-26
Publication date: 1973-05-30
Also published as: CA987009A; AU4281172A; DE2158858B2; BE785945A; SE381389B; IT962433B; US3781717A; DE2133634B2; ATA463472A; DE2158858C3; DE2133634C3; NL7209290A; JPS5326798B2; CH549900A; GB1396997A; SE7506320L; DE2133634A1; AR193276A1; DE2209585A1; FI57033B

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische Schwingungen, insbesondere zur Erzeugung von Oberflächenwellen, bei dem an einen Körper elektrostriktiven Materials Anregungselektroden angebracht sind und auf der in Ausbreitungsrichtung der Wellen entgegengesetzten Bichtung ein Wellensumpf für mechanische Wellen vorgesehen ist.

Wandler der vorbezeichneten Art werden beispielsweise zur Schwingungsahregung bzw, zur Schwingungsabnähme bei mechanischen Filtern verwendet, bei denen bekanntlich die als elektrische Schwingungen ankommende Energie zunächst in mechanische Schwingungsenergie umgewandelt werden muß und die Selektionswirkung im mechanischen Teil des Filters vorgenommen wird. Am Ausgang eines derartigen Filters muß ein weiterer Wandler nachgeschaltet sein, der die mechanische Schwingungsenergie in elektrische Schwingungen zur geeigneten Weiterverarbeitung rückumwandelt. Es sind solche Wandler beispielsweise von P,Mason im- Buch "Physical Acoustics", I, Part A, Academic Press, 1964, NY, beschrieben und insbesondere auf Seite 238 die Ergebnisse einer Ableitung des elektrischen Ersatzschaltbildes gegeben. Bei diesen Wandlern werden an einen aus piezoelektrischem Material bestehenden akustischen Leitungsabschnitt zumindet zwei voneinander unabhängige Anregungselektroden vorgesehen, an die die ankommende elektrische Wechselspannung anzuschließen ist. Es können auch mehrere kammförmig interdigital angeordnete Anregungselektroden vorgesehen sein. Im allgemeinen wird man anstreben,.daß die akustische Welle sich nur. in einer Fortpflanzungsrichtung ausbreitet, weshalb der Wandler auf der der Ausbreitungsrichtung ent-

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• gegengesetzten Seite entweder mit einem für akustische Wellen einen Wellensumpf darstellenden Material belegt wird, oder es wird durch Totalreflexion dafür gesorgt, daß die sich entgegengesetzt zur Fortpflanzungsrichtung ausbreitende Welle phasenrichtig mit der in Fartpflanzungsrichtung wandernden Welle Überlagert. -

Wenn bei solchen elektromechanischen Wandlern ohne Spulen von Verlusten durch die endliche mechanische Schwinggüte abgesehen wird, so ist entweder bei nahezu beliebig wählbarer Bandbreite die Durchlaßdämpfung umgekehrt proportional dem Quadrat des wirksamen elektromechanischen Material-Kopplungsfaktors· K, oder es ist bei der Durehlaßdämpfung Null die relative Bandbreite B direkt proportional dem Quadrat des Kopplungsfaktors. Dies hängt davon ab, ob die Wellenleitung vor dem Eingangswandler und nach dem Ausgangswandler reflexionsfrei oder total reflektierend abgeschlossen ist.^Hinsichtlich Schwinggüte, Temperaturkonstanz und Alterung ist Quarz als Material für hochwertige Filter dieser Art, insbesondere für Frequenzen oberhalb von einigen 100 kHz, sehr gut geeignet. Wegen des kleinen Kopplungsfaktors K=O,05 jedoch ergibt sich entweder eine Durchlaßdämpfung von.etwa 60 dB, oder eine maximal mögliche relative Bandbreite von etwa ein Promille.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den vorstehend geschilderten Schwierigkeiten in verhältnismäßig einfacher Weise abzuhelfen und einen elektromechanischen Wandler, insbesondere einen Wandler zur Erzeugung,von akustischen Oberflächenwellen mit sehr wenigen Halbwellen-Wandler-Abschnitten anzugeben, der auch bei relativ kleinem wirksamen elektromechanischen Materialkopplungsfaktor und verhältnismäßig kleiner Durchlaßdämpfung für größere Bandbreiten dimensioniert werden kann.

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Ausgehend von einem elektromechanischen Wandler zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische Schwingungen, insbesondere zur Erzeugung von Oberflächenwellen, bei dem an einen Körper elektrostriktiven Materials Anregungselektroden angebracht sind und auf der in Ausbreitungsrichtung der Wellen entgegengesetzten Richtung ein Wellensumpf für mechanische Wellen vorgesehen ist, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wandler auf der akustischen Seite beidseitig mit Störstellen für akustische. Wellen eingeschlossen ist, die zusammen mit dem von ihnen eingeschlossenen mechanischen Leitungsabschnitt einen akustischen Resonator für die vorgegebene Betriebsfrequenz ergeben. . "^: ■' I

Nachstehend wird-die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.

Es zeigen in der Zeichnung: ■

Fig.1 einen Wandler gemäß der Erfindung;

Pig.2 das zum Wandler nach Fig.1 gehörende elektrische Ersatzschaltbild;

Fig.3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines

Wandlers gemäß der Erfindung; |

Fig.4 das zum Wandler nach Fig.3 gehörende Ersatzschaltbild.

Im Ausführungsbeispiel der Fig.1 ist der gesamte Wandler mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet. Der Wandler 1 besteht aus einem quaderförmigen Körper 2 eines piezoelektrischen Materials, -auf dessen einer Seite ein akustischer Wellensumpf 8 angebracht ist. In Fig.1 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung insofern dargestellt, als die zur Anregung

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der mechanischen Schwingungen notwendigen Anregungselektroden 5 und 6 gleichzeitig als Störstellen 5 und 4 ausgebildet sind. Die Anregungselelrfcroden 5 und 6 können dabei beispielsweise durch Aufdampfen auf den piezoelektrischen Körper 2 aufgebracht werden und sind im Ausführungsbeispiel als parallele Stege ausgebildet, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der akustischen Welle verlaufen. An die Anregungselektroden 5 und 6 sind die Zuführungsdrähte 7 und 7' herangeführt, an denen jeweils die elektrische Wechselspannung U.. anliegt, die den Strom I₁ zur Folge hat. Der zwischen den Störstellen 3 und 4 liegende Leitungsabschnitt 10 hat das Phasenmaß b und es ist die Bemessung derart gewählt, daß die Störstellen 3 und 4 zusammen mit dem von ihnen eingeschlossenen mechanischen Leitungsabschnitt einen akustischen Resonator für die jeweils vorgegebene Betriebsfrequenz ergeben. Es lassen sich mit solchen Wandlern an sich alle Arten der bekannten mechanischen Schwingungen anregen, jedoch ist aus Gründen der einfacheren Darstellung in der Zeichnung ein Wandler zur Anregung akustischer Oberflächenschwingungen dargestellt. Legt man nun an die Klemmen 7,'7' eine elektrische Wechselspannung U₁, dann wird nach an siph bekannten Vorgängen im piezoelektrischen Körper 2 eine akustische Oberflächenschwingung angeregt, die, in Ausbreitungsrichtung betrachtet, die Kraft F2 und die Geschwindigkeit V₂ zur Folge hat. Durch die gestrichelten Linien soll kenntlich gemacht werden, daß sich an den Wandler beispielsweise unmittelbar ein Filter anschließt.

Anhand der Fig.2 soll nun die elektrische Wirkungsweise der Anordnung nach Fig.1 im einzelnen erläutert werden.

Betrachtet man den Wandler nach Fig.1 ohne die Störstellen 3 und 4 und ohne den akustischen Wellensumpf 8, dann ergibt sich ein elektrisches Ersatzschaltbild, wie es in Fig.2 zwischen den beiden gestrichelten Linien A und A'

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eingezeichnet ist. Dieses Ersatzschaltbild wurde bereits in dem einleitend erwähnten Buch von Mason, dort insbesondere auf Seite 238, entwickelt. Es ergibt sich ein elektrisches Dreitor, bei dem eine T-Schaltung mit den Blindwiderständen X₁ in den Längszweigen und Xg im" Querzweig über einen im Querzweig liegenden Übertrager 11 an die elektrische Eingangsschaltung angekoppelt ist. Die aus den Blindwiderständen x.. und Xg bestehende T-Schaltung stellt dabei das Ersatzschaltbild für die akustische Leitung 10 (vgl. Fig.1) dar. Die an den Klemmen 7 und 7¹ auftretenden elektrischen Eingangsgrößen sind wiederum mit U₁ und I₁ bezeichnet, während die Ausgangsgrößen als Fp und v„ wie in lig.1 bezeichnet sind. Der Wandler 11 | hat das Übersetzungsverhältnis 1ju und es erscheint im elektrischen Eingangskreis noch eine Querkapazität C , die die statische Kapazität des Wandlers nachbildet. Aus der Ableitung des Ersatzschaltbildes ergibt sich im Eingangslängszweig ferner ein Kondensator mit der Größe -C . Nach der bekannten Berechnungsmethode ergeben sich dabei für das Übersetzungsverhältnis u und die Blindwiderstände X₁ und χ«, die aus den Gleichungen (T) bis (3) ersichtlichen Werte:

X₁=Z tan ffy (2)

^X2⁼ si

2⁼ sin

Dabei bedeutet y die Fortpflanzungsgeschwindigkeit für Oberflächenwellen und Z den Oberflächenwellenwiderstand, der gleichzeitig als mechanischer Bezugswiderstand in den Berechnungsformeln dient. Die Größe i/w_QC ist der elektri sche Bezugswiderstand, K ist wiederum der eingangs bereits erwähnte wirksame elektromechanische Materialkopplungs-

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faktor, und 7}j=f/f ist eine auf die Bezugsfre-r quenz ί_ο=ν/λ_ο=ω_ο/2π normierte Frequenzvariable.

Damit nun die Störstellen 3 und 4 in Verbindung mit der dazwischenliegenden Leitung 10 einen akustischen Resonator bilden, ist ganz allgemein eine Bemessung gemäß Glei- · chung (4) erforderlich.

b=miu-aretan 2x (4)

Für den in Fig.1 dargestellten Spezialfall wird m=1 und damit a=b und es ergibt sich für die gewünschte relative Bandbreite B- die aus Gleichung (5) zu entnehmende Beziehung, für die Größe der Störstellen x.

(5)

Im elektrischen Ersatzschaltbild nach Fig.2 erscheinen entsprechend der mechanischen Anordnung in Fig.1 die den Wandler einschließenden Störstellen jx, die eingeklammert ebenfalls mit 3 und 4 bezeichnet sind. Weiterhin ist auch der Wellensumpf 8 als Abschlußwiderstand Z erkennbar, der die sich entgegen der gewünschten Ausbreitungsrichtung fortpflanzenden mechanischen Wellen absorbiert. Der den jeweiligen Störstellen zuzuordnende Blindwiderstand χ im Sinne der vorerwähnten Gleichungen läßt sich beispielsweise durch Messung ermitteln und hängt von der Höhen- und Breitenabmessung der jeweiligen Störstelle ab.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig.1 sind die Störstellen 3 und 4 als wallförmige Erhöhungen ausgebildet, wodurch sich im elektrischen Ersatzschaltbild nach Fig.2 eine induktive Störung entsprechend der Kraft-Spannungs-Analogie ergibt. Es ist nun nicht zwingend erforderlich, die Störstellen als Erhöhungen auszubilden, sondern es kann stattdessen

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auch eine grabenförmige Vertiefung bzw. es können beide Störstellen als grabenförmige Vertiefungen ausgebildet sein. Die grabenförmige Vertiefung äußert sich dann entsprechend der Kraft-Spannungs-Analogie als Kondensator im Querzweig des Ersatzschaltbildes. Fertigungsmäßig wird es mitunter günstig sein, anstelle der grabenförmigen Vertiefung oder der -wallförmigen Erhöhung nur einen unterbrochenen Linienzug als Störstelle zu verwenden. Dieser Linienzug kann dann beispielsweise als Punktfolge ausgebildet sein, die in verhältnismäßig einfacher Weise mit Hilfe eines Lasers im piezoelektrischen Körper 2 angebracht werden kann.

Auch ist es möglich, in der gleichen Weise aus einer waliförmigen Erhöhung Material abzutragen, wodurch sich ein Feinabgleich der Störstelle jx erreichen läßt,

Im Ausführungsbeispiel von Fig.1 ist der gesamte Wandler 1 so ausgebildet, daß die Störstellen 3 und 4 nur einen Wandler mit einer Länge von etwa einer halben Wellenlänge ßinschließen. Bei mehreren Halbwellen-Wandlern ergibt sich als Durchlaßdämpfung a näherungsweise für eine Anzahl η von Halbwellen-Wandlern, die von zwei gleichen Störstellen jx eingeschlossen sind, nach Gleichung (6)s

2
B.JV -κ In ^ + -κ ln< 1+1—1₅) 2.m-(1- rr-))\ f Co)

wenn ^- <X²<5C1 und η²π² · (η,-1)² « 1

Die relative Bandbreite 3 beträgt dann

(7)

nn

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und die kleinste Durchlaßdämpfung für einen Wandler, bei dem η Halbwellen-Wandler von den Störstellen jx eingeschlossen sind, beträgt:

2ώΚ * 8-K

wobei Y]jdie bezogene Frequenz f/f_Q bedeutet. Der Reflexionsfaktor der Störstelle beträgt

1+3 ftä> '

wenn die Leitung hinter der Störstelle reflexionsfrei abgeschlossen ist.

Wie Gleichung (6) zeigt, kann also bei dem erfindungsgemäßen Wandler bei einer Bandbreite von beispielsweise 10 kHz, einer Mittenfrequenz von 1 MHz und einem wirksamen elektromechanischen Materialkopplungsfaktor von K=5 #, eine Dämpfung von nur 7 dB erzielt werden, d.h. Ein- und Ausgangswandler eines elektromechanischen Filters haben zusammen nur 14 dB Durchlaßdämpfung.

Es ist nicht zwingend erforderlich, daß die Störstellen nur einen Wandler einschließen, auch ist es nicht zwingend erforderlich, die Störstellen (3 und 4 in Fig.1) gleichzeitig als Anregungselektroden auszubilden, sondern es kann zwischen den Anregungselektroden und den Störstellen noch ein weiterer Leitungsabschnitt vorgesehen sein. Technologisch ist dies insbesondere dann von Vorteil, wenn ' die Störstellen als unterbrochener Linienzug oder als grabenförmige Vertiefung ausgebildet sind, da sich in diesem Fall die Aufbringung der Anregungselektroden erleichtert. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Fig.3 gezeichnet, dessen elektrisches Ersatzschaltbild

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in Fig.4 dargestellt ist. Zur besseren Übersicht sind auch in den Pig.3 und 4 wirkungsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bzw. mit einer Apostrophierung versehenen Bezugsziffer wie in Fig.1 und 2 bezeichnet, s.o daß die dort gegebenen Erläuterungen unmittelbar auch für das Ausführungsbeispiel nach Fig.3 bzw. dessen elektrisches Ersatzschaltbild Gültigkeit haben.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig.3 sind die Störstellen 3' und 4^f als grabenförmige Vertiefungen ausgebildet, die wiederum den Leitungsabschnitt 10 mit dem Phasenmaß b einschließen. Für die Berechnung des Phasenmaßes b läßt sich Gleichung (4) unmittelbar verwenden. Es sind dabei I zwei Wandler mit den Anregungselektroden 5 und 5^r bzw. 6 vorgesehen, die im Abstand von jeweils- etwa einer halben Wellenlänge angeordnet sind, was sich im Phasenmaß als Phase π darstellt. Zwischen der Anregungselektrode 5 und der Störstelle 3¹ bzw. .zwischen der Anregungselektrode 5¹ und der Störstelle 4' ist jeweils ein Leitungsabschnitt der Länge 12 bzw. 1.2* mit dem Wellenwiderstand Z vorgesehen. Im einfachsten Fall wird man die Leitungslängen 12 und 12¹ gleich lang wählen, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist. Abgesehen von der im Zusammenhang mit Fig.1 bereits geschilderten Möglichkeit, auch im Ausführungsbeispiel nach Fig.3 die Störstellen 3^f und 4^f mit | den Anregungselektroden 5 und 5* zusammenfallen zu lassen, besteht noch die Möglichkeit, auch entlang der Anregungselektrode 6 eine Störstelle vorzusehen, bzw. in der bereits geschilderten Weise die Anregungselektrode 6 in einer solchen Dicke aufzutragen, daß sie bewußt als Störstelle für akustische Wellen wirkt. Das gleiche gilt auch für die Anregungselektroden 5 und 5' und in gleicher Weise gilt dies auch für die Anordnung von mehr als zwei Halbwellenwandlern, was sich gewissermaßen durch eine Kettenschaltung solcher Wandler auswirkt.

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Vorteilhaft bildet man die den Wandler einschließenden Störstellen so aus, daß sie in ihrer reflektierenden Wirkung gleich groß sind. Für das elektrische Ersatzschaltbild bedeutet dies, daß die absolute Größe der Blindwiderstände jx gleich sind, d.h. also, es kann durchaus eine Störstelle induktiv und die andere Störstelle kapazitiv wirken. Falls die Störstellen 3 und 4 bzw. 3' und 4¹ in ihrer reflektierenden Wirkung nicht völlig gleich"sind, wird die Gesamtwirkungsweise prinzipiell nicht verändert, sondern es ergibt sich lediglich je nach der Unterschiedlichkeit eine gegenüber Gleichung (6) höhere Grunddämpfung. Voneinander unterschiedlich wird man die Störstellen dann wählen,-wenn dem Wandler 1 eine weitere akustische Anordnung nachgeschaltet ist und die in Ausbreitungsrichtung der Welle liegende Störstelle 4 bzw. 4' in diese weitere Anordnung einbezogen ist.

Für das in Fig.4 dargestellte elektrische Ersatzschaltbild, für das gemäß den Gleichungen (2), (3) und (4) die Beziehung α~^π und m=4 gilt, äußern sich die Wandler als Parallelschaltung der beiden elektrischen Eingangsteile, wobei die in Fig.3 durch gegensinnige Pfeile dargestellte gegenphasige Anregung der aufeinanderfolgenden Wandler 5 und 6, bzw. 5¹ und 6 als eine Leitungskreuzung in Erscheinung treten. Die als grabenförmige Vertiefungen ausgebildeten Störstellen 3' und 4^f äußern sich in der bereits erwähnten Weise als kapazitive Blindwiderstände, die die jeweils parallel geschalteten Wandler zusammen mit den Leitungsabschnitten 12 und 12· einschließen.

10 Patentansprüche
4 Figuren

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Claims

Pat ent ans ρ r ü ehe

Π.)Elektromechaniseher Wandler zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in mechanische Schwingungen, insbesondere zur Erzeugung von Oberflächenwelle^ bei dem an einen Körper elektrostriktiven Materials Anregungselektroden ' angebracht sind und auf der- in Ausbreitungsrichtung der Wellen entgegengesetzten Richtung ein Wellensumpf für mechanische Wellen vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet , daß der Wandler (1) auf der akustischen Seite beidseitig mit Störstellen (3*4) für ' ■ akustische Hellen eingeschlossen ist, die zusammen mit dem von ihnen eingeschlossenen mechanischen Leitungs- ä

abschnitt (10) einen akustischen Resonator für die vorgegebene Betriebsfrequenz ergeben.
2. Elektromechaniseher Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Störstellen als wallförmige Erhöhungen {3,A) oder als grabenförmige Vertiefungen (3¹»4') ausgebildet sind.
3. Elektromechaniseher Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Störstelle (z.B. 3) als wallförmige Erhöhung und die andere Störstelle (z.B. 4') als grabenförmige Vertiefung ausgebildet ist. I
4. Elektromechanischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen (3»4,3',4') als unterbrochener Linienzug ausgebildet sind.
5. Elektromechanischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen (3,4) nur einen Wandler mit einer Länge von etv/a einer halben Wellenlänge einschließen.

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BAD ORIGINAL
6. Elektrcmechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen (3'»4') mehrere Wandler mit einer Länge von jeweils etwa einer halben Wellenlänge einschließen. (Mg.3)
7; Elektromechanischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Anregungselektroden (5,6 bzw. 5') gleichzeitig als Störstellen (3,4) ausgebildet sind.
8. Elektromechanischer Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß alle Anregungselektroden gleichzeitig (5,6,5') als Störstellen ausgebildet sind.
9· Elektromechanischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen (3',4') außer den Wandlern zusätzliche Leitungsabschnitte (12,12·) einschließen.
10. Elektromechanischer Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstellen (3,4 bzw. 3',4') in ihrer reflektierenden Wirkung gleich groß sind.

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