DE2217941A1

DE2217941A1 - Piezoelektrischer Schwinger

Info

Publication number: DE2217941A1
Application number: DE19722217941
Authority: DE
Inventors: Lloyd George Mt. Holly Springs Pa. Martyn (V.StA.)
Original assignee: Oak Electro Netics Corp
Current assignee: Oak Electro Netics Corp
Priority date: 1971-04-15
Filing date: 1972-04-13
Publication date: 1972-10-19
Also published as: FR2136414A5; GB1355165A; BE782168A; IT952541B; NL7204836A; US3684905A

Description

DIPL.-1NG. A. GRÜivECKER · ' " \''~%Ί- X.--

DR.-IMG. H. KIMKELDEY ν:.:-*■·.·::.-".'.·.· ■ , <7ü'A

DR.-ING- W. STOCKMAiS, Λ·~. ΓΞ. ■v.u.r ν. ... * . -..::.,.„-.,... : --r.. ;·.-::..:-.?.· ι

DR. DIPL.-CHEM. W. FISCHEK "''■ ^:" '

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PATENfTANWALTtH ■ ..- «■ -'■"-.;>-·- -^- -- ' ."' ί ¹^-

Oak Slect.ro/lietic r. Corp-« 5237 Verona Eoad
Madison, Wisconsin₅ U£i

Piezoelektrische

Die vorliegende Erfindung "bezieht sich, auf einen piezoelektrischen Schwinger.

, Piezoelektrische Schwingel¹ haben die Eigenschaft, daß sie mit einer Haupt- oder GrundrescnaiizfrequeriZ schwingen, v/enn an ihre Oberflächen eine Spannung angelegt wird. Wegen dieser Eigenschaft verwendet man piezoelektrische Schwinger in großem Maßstabe als elektrische Filter. Bei der Verwendung piezoelektrischer Schwinger als Filter tritt die Schwierigkeit auf, daß sie außer mit der Haupt- oder Grundresonanzfrequenz noch mit anderen Frequenzen bzw. Schwingungsfcrmen schwingen, die als Nebenresonanzen bezeichneten werden und die Filtereigenschaften des piezoelektrischen Schwingers ernsthaft "beeinträchti-

: gen.

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Er.--.lVc.i.'cn:H.Aui]icjsw.'^.:r.-i.r:il/2;33 ■ ί);-.··;.-}-.ε ίΥ^\ Μ:--κΐ·-η T""™
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Zo.r Beseitigung von No-'benschv/iugungen ir piezoelektrischen Schwingern hat man bereits verschiedene Vorschläge gemacht, wie sie beispielsweise in den USA-Patentschriften 2 50S) 4-7S₁ 2 595 057, 2 635 199-, 2 807 731, 2 994 791 und 3 382 381 enthalten sind. Uia unerwünschte Schwingungsformen bzw. Ncbcnreconanzen zu. unterdrücken, versieht man z.B» den Schwingung^- körper im wesentlichen in seiner Mitte mit einer Elektrode und an anderer Stelle mit einem mechanischen Belastungsele.uent, dar. zum Hand des Schwingerkörpers hin einen Pfad oder Schv;!;;·-· gungsweg bildet. Während die Haupt- oder- Grundschwingung von der Dicke der Elektrode und des Schwingers abhängt, wirkt das mechanische BeJ-astungsslement dabei als Hochpaßfiltcr. Dadurch wird die Haupt- oder Grundschwingung auf den mittleren Bereich des Schwingers begrenzt, und alle höheren .Schwingungsformen bzw.. Frequenzen einschließlich der Nebenrecononsen werden zu den Kanten des Schwingers geleitet, so daß sie auf die Schwingungsfreqiienz des Schwingerkörpers möglichst keinen Einfluß haben. Die Grenzfrequenz des mechanischen Belastungselements hängt von seiner Dicke ab. In^jleia man daher die Dicke der mechanischen Belastungselemente in Bezug auf die Dicke der Elektroden und des Schwingungskörpers festlegt, können Nebenresonanzen oder Störschwingungen zur Kante des Schwingers abgeleitet werden, wogegen die Haupt- oder Grundschwingung innerhalb des Mittelbereichs des Schwingers mehr oder weniger isoliert v/ird. In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß die Unterdrückung der Nebenresonanzen auf diese Weise nur unvollkommen gelingt. Dies wirkt sich insbesondere bei der Verwendung der Schwinger als piezoelektrische Filter nachteilig aus.

Es ist ein wichtiges Ziel der Erfindung, diese und v/eitere Nachteile des Standes der Technik mit einfachen und wirtschafetlichen Mitteln zuverlässig zu überwinden und einen piezo- . elektrischen Schwinger zu schaffen, der praktisch frei von

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BAD ORtQINAi.

Nebenresonanzen oder Störschwingungen ist und einen gegenüber herkömmlichen Schwingern wesentlich verbesserten .Frequenzgang hat»

Ein piezoelektrischer Schwinger gemäß dei? Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Körper mit einer Metallelektrode, deren Dicke geringer ist als diejenige zweier, metallischer mechanischer Belastungselemente, die in gleichen Abständen, beiderseits einer Linie angeordnet sind, welche die Oberfläche, auf der sich die beiden Belastungselemente befinden, halbiert.

Eine bevorzugte Ausführungsform, der Erfindung sieht vor, daß der Schwingerkörper zwei einander gegenüberliegende, parallele, ebene Kreisoberflächen aufweist, die gegenseitig aneinander angrenzen, und jeweils eine Elektrode sowie ein platiertes metallisches Belastungselement, das die Gestalt eines Abschnittes des von der Kreisoberflächen-Kante begrenzten Kreises hat und mit seinem Kreisrand zur Ereisoberflächen-Kante bündig abschließend angeordnet ist.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß jedes Belastungselement so angeordnet ist, daß die Fläche des jeweils anderen Belastungselements auf der anderen Kreisoberfläche genau gegenüber begrenzend anliegt.

In Weiterbildung der Erfindung kann jede Elektrode eine geometrische Gestalt mit einer Ecke besitzen, die von einer zur Sehne des Kreisabschnittes senkrechten Linie halbiert ist.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung kann jede Elektrode zwei weitere Ecken in solcher Anordnung haben, daß eine diese

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"rotci'o I-ierkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführuugsbei spiel en anhand der Zeichnung«. Darin zeigen:

Fig., 1 eine Seitenansicht des Körpers eines erfindungsgeiaäßon Schwingers iait je einer Elektrode auf Vorder- und Rückseite,

Fig. 2 und Ρε, je eine Seitenansicht des Schwingers gemäß Fig. 1 nach dem Aufbringen mechanischer Belastungsslemente,

Fig. 3 und 3a" Seitenansichten des erfindungsgemäßen Schwingers nach Anbringen in einer Halterung und

Fig. 4- bis 6 Diagramme des Frequenzganges von Schwingern mit verschiedenen Anordnungen von Elektrode und Belastungselementen.

In Fig. 1 ist die eine Oberfläche eines Quarz-Körpers 1 eines erfindungsgemäßen Schwingers dargestellt, die eine im wesentlichen karoförmige Elektrode 2 und einen aufplatierten metallischen Steg 3 trägt. Der Schwingerkörper 1 ist kreisförmig. Kit gestricheltoiLinien, die von der Elektrode 2 zum linken Rand des Schwingerkörpers 1 führen, ist ein metallischer Steg 4- angedeutet, welcher auf der nicht sichtbaren Rückseite des Schwingers aufplattiert ist.

Fig. 2 zeigt die gleiche Oberfläche des Schwingers "1, nachdem mechanische Belastungselemente 5 und 6 aufplattiert worden sind. Die Rückseite des Schwingerkörpers 1 mit einer Elektrode 7i einem aufpiattLerten metallischen Steg 8 sowie mit aufplattierten mechanischen Belactungselementen 9 und 10 ist in Fig. 2A gezeichnet. Hier ist der metallische Steg 3 mit gestrichelten Linien angedeutet, da er sich auf der gegenüberliegenden Seite des Schwingarkörpers 1 befindet. Zu beachten ist, daß auf jeder

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weiteren Ecken durchsetzende Linie senkrecht zu dc-r die eine Ecke halbierenden Linie verläuft.

Uic man erkennt,'bedient sich auch die" Erfindung einer vorzugsweise in der Mitte der sie tragenden Oberfläche angeordneten Elektrode und eines Belastungselements, das zur Kante des Schwingungskörpers führt, um einen verbesserten Frequenzgang zu erhalten. Die neuartige Anordnung von Elektrode und Belass tungselement- führt, jedoch zu einer wesentlich verbesserten Unterdrückung der Nebenresonanzen bzw. Storschwingungen.- Dank der besonderen Gestaltung und Anordnung von Elektrode und Belastungselement nach der Erfindung werden Nebenresonanzen bzw. Störschwingungen, deren Frequenz von der Haupt- oder Grundschwingung verschieden ist, auf vernachlässigbar kleine Beträge herabgedrückt.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht einen piezoelektrischen Schwinger vor, der auf jeder seiner beiden Kreisoberflächen eine im wesentlichen karoförmige Elektrode und zwei mechanische Belastungselemente aufweist, welche die Form eines Kreisabschnittes haben und an den Kanten des Schwingerkörpers angeordnet sind. Auf beiden Seiten erstreckt sich von einer Elektrode ein metallischer Steg zu dem einen mechanischen Belastungselement. Die Anordnung von Elektrode und mechanischen Belastungselementen auf der Oberfläche des Schwingerkörpers ist so getroffen, daß eine die eine Ecke des Karos durchsetzende und halbierende Linie senkrecht zu den Sehnen der kreisabschnittförmigen Belastungselernente steht. Vorzugsweise hat jede Elektrode von dem Belastungselement, mit dem es durch den metallischen Steg verbunden ist, einen Abstand im Bereich von etwa 25 um bis 250 um.

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Oberfläche des Schwingorkcrptrs 1 -jeweils eines der beiden mochaui sehen Belastuncselemente unmittelbar üb or den betrcif/IencUüi nctallischon Sfceg plattiert ist, der zu der in wesentlichen l:arof ureigen Elektrode 2 bzw. 7 hinführt. In Pig. 2 ist die-s das !Mechanische Belastungselement 5» welches unmittelbar über dem metallischen Steg 3 aufplattiert ist, und in Pig«, 2A ist das mechanische Belastungselement 10 unmittelbar über dem jaetallischen Steg 8 aufplattiert.

In l^?ig. 3 und JA ist der piezoelektrische Schwinger nach der Erfindung in einer Halterung 13 gezeigt. Federn 11 und 12 sind an ieiien des Schwingers stoffschlüssig angebracht und dann mit der Halterung 13 verbunden, so daß eine geeignete assung für den Schwiijger gebildet ist.

Der erfindungsgemäße Schwinger kann ein AT-Quarz bzw. ein Dickenscherschwinger sein, dessen elektrische oder X-Achse in der Zeichnung senkrecht verläuft, während seine optische oder Z-Achse die waagrechte Achse ist. Man erkennt in Fig. 1 bis 3·, daß die Ecken der im wesentlichen karoförmigen Elektroden 2 bzw. 7 nur in die X-- oder Z-Richtung zeigen und daß der metallische Steg 3 bzw. 4- bzv/. 8, welcher zur Elektrode 2 bzv/. 7 hinführt, in Z-Richtung verläiift. Die Anordnung der Ecken der im wesentlichen karoförmigen Elektroden 2 bzv;. 7 erfolgt vorzugsweise innerhalb einer Genauigkeit von 10 zur X- bzw. Z-Achse. Der Abstand zwischen der Elektrode 2 bzv/. 7 und der Seime des kreisabschnittförmigen mechanischen Belastungseleineiits, daß über den metallischen Steg aufplatiert ist, liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 25 um und 250 um So beträgt der Abstand zwisehen dem Belastungselement 5 und der Elektrode 2 (Fig. 2) zwischen 25 pm und 250 um.

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L^vie Elektrode ist bevorzugt so angeordnet, daß eine Linie, Y.'cj.-ohe die linke Elektrodenecke durchsetzt und halbiert, sc:;I:.?echt zur Sehne der kreisabschnittförmigen Belastungselos.cnte verläuft. Beispielsweise wird die Ecke 15 äer Elektrode 2 (Fig. 2) von einer Linie halbiert, die senkrscht zur Sehne des kreisabschnittförmigen Belastungselements 5 steht. Wie sich aus der nachfolgenden Erläuterung anhand der Figuren '}- bin 6 ergibt, bewirkt diese Anordnung der Elektrode in Bezug auf die Sehne der kreisabschnittförmigen Belastungselemente einen wesentlich verbesserten Frequenzgang des piezoelektrischen Schwingers.

Die Belastungselemente 5*6 bzw.· 9 »10 werden erheblich dicker ausgeführt als die Elektroden "2,7 und die Stege J., 4-, 8. In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Elektroden . 2 bzw. 7 aus Aluminium mit einer Dicke von etwa 1 nm und die mechanischen Belastungselemente 5»6 bzw. 9)10 aus Silber mit einer Dicke von etwa 12 nm. Anstelle dieser Metalle können jedoch für die Elektroden und die Belastungselemente auch eine Vielzahl anderer Metalle benutzt werden, unter der einzigen Voraussetzung, daß die Belastungselemente wesentlich dicker bzw. schwerer ausgeführt werden als die Elektroden und daß sie die oben angegebenen Formen bzw. Gestaltungen haben. Für die Elektroden und/oder die Belastungselemente können beispielsweise Gold, Silber, Nickel und Kupfer als Metalle benutzt werden.

Die in Fig. 4- bis 6 dargestellten Diagramme des Frequenzganges von Schwingern mit verschiedenen Anordnungen von Elektroden und Belastungselemnten lassen die wesentlichen Verbesserungen erkennen, welche dank der erfindungsgemäßen Anordnung von Elektroden und Belastungselementen erzielt werden. An der Ordinate der Diagramme von Fig. 4- bis 6 ist die Spannung in Dezibel und an der Abszisse die Frequenz in MHz angetragen. Man sieht, daß die Haupt- oder Grundschwingung des benutzten Schwingers bei einer Frequenz von etwa 50 MHz liegt. Die von 50 MHz abweichenden

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BAD ORfGiNAL

Spitzen des Frequenzganges stellen die Nebenresonanzen oder Störschwingungen des Schwingers dar, die zu unterdrücken sind.

Fig. 4- zeigt den Frequenzgang eines AT-Schwingers mit im wesentlichen karoförmigen Elektroden, jedoch ohne irgendwelche mechanischen Belastungselemente. Man erkennt, daß ohne Verwendung derartiger Belastungselemente beträchtliche Nebenresonanzen bzw. Störschwingungen bei Frequenzen zwischen 50,10 und 50,15 MHz auftreten. Der Frequenzgang eines piezoelektrischen Schwingers mit im wesentlichen karoförmigen Elektroden und Belastungselementen ist in Fig. 5 dargestellt. Hierbei haben die Belastungselemente die Form von Kreisabschnitten, sie sind aber so angeordnet, daß die Sehnen der kreisabschnittförmigen Belastungselemente nicht senkrecht au der Linie verlaufen, welche die linke Ecke der im wesentlichen karoförmigen Elektrode gemäß Fig. 2 durchsetzt und halbiert. Es ist ersichtlich, daß bei dieser Anordnung die Nebenresonanzen im Bereich von etwa 50,15 MHz sogar noch größer sind als ohne die Verwendung kreisabschnittförmiger Belastungselemente.

Demgegenüber zeigt Fig. 6, daß durch die erfindungsgemäße Anordnung von Elektrode und Belastungselementen erheblich verbesserte Ergebnisse erzielt werden. Der Frequenzgang von Fig. 6 entspricht einem Schwinger mit im wesentlichen karoförmiger Elektrode und kreisabschnittförmigen Belastungselementen, die gemäß Fig. 2 angeordnet sind, wobei die die linke Ecke der im wesentlichen karoförmigen Elektrode durchsetzende und halbierende Linie senkrecht.zu der Sehne des kreisabschnittförmigen mechanischen Belastungselements verläuft, welche über den Steg auf plattiert ist. Infolge dieser Anordnung

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ißt die störende Nebenresonanz bei et v/a wesentlichen beseitigt, imd andere Störfreqiierzen bzw* Febenschwingungen sind im Frequenzgang des Schwingers praktisch nicht vorhanden« Die besondere G-estalturig¹ uuc? Anordnung' der im wesentliciien karbförmigen Elektrode und' der zugeordneten mechanischen Belastungselemente führ·!; daher zu einem piezoelektrischen Schwinger mit einem r--r~ heblich verbesserten Precjuensgang.

SäiatIiehe aus den Ansprüchen, der Beschreibimg und- der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und 'forteile der Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination er-findungswesentlich sein«

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Claims

P a t e η t a η s ρ rüche

Piezoelektrischer Schwinger, gekennzeic h η e t durch einen Körper (1) mit einer Metallelektrode (2 bzw« 7)·, deren Dicke geringer ist als diejenige zweier metallischer Mechanischer Belastungselemente.(5, S bzw. 9» 10), die in gleichen Abständen beiderseits einer Linie angeordnet sind,' welche die Oberfläche, auf der sich die beiden Belastungselemente (5, 6) befinden, halbiert,
2. Schwinger insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (1) zwei einander gegenüberliegende, parallele, ebene Kreisoberflächen aufweist, die gegenseitig aneinander angrenzen, und jeweils eine Elektrode (2 bzw. 7) sowie ein plattiertes metallisches Belastungselement (5, 6 bzw. 9j 10), das die Gestalt einer Abschnittes des von der Kreisoberflächen-Kante begrenzten Kreises hat und mit seinem Kreisrand zur Kreisoberflächen-Kante bündig abschließend angeordnet ist.
3. Schwinger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Belastungseleinent (5, 6 bzw. 9, 10) so angeordnet ist, daß die Fläche des jeweils anderen Belastungselements auf der anderen Kreisoberfläche genau gegenüber begrenzend anliegt.
4. Schwinger nach Anspruch 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode ( 2 bzw. 7) eine geometrische Gestalt mit einer Ecke (15) besitzt, die von einer zur Sehne des Kreisabschnittes senkrechten Linie halbiert ist.
5. Schwinger nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode (2 bzw. 7) zwei weitere Ecken in solcher Anordnung hat, daß eine diese beiden weiteren Ecken

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durchsetzende Linie senkrecht zu der die eine Ecke (15) halbierenden Linie verläuft.
6* Schwinger nach wenigstens einem der Ansprüche 1 "bis 5» dadurch g e k e η η ζ e i e h η e t, daß ,jede Elektrode (2 bzw. 7) zumindest annähernd in der Mitte der sie tragenden Oberfläche angeordnet ist.
7. Schwinger nach einem der Ansprüche 4- bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß von jeder Elektrode (2 bzw. 7) in Richtung der die eine Ecke (150 halbierenden Linie zu einer Stelle der Kreisoberflächen-Kante ein metallischer Steg (3, 8) führt, über dem das zugeordnete Belastungselement (5, 6 bzw. 9i 10) aufplattiert ist.
8. Schwinger nach einem der Ansprüche 5 bis 7» dadurch gekennzeichn et, daß er ein AT- bzw. Dickenscherschwinger ist und daß die die erne Ecke (15) halbierende Linie in Richtung der Z-Achse des Schwingers sowie die dazu senkrechte, die beiden weiteren Ecken durchsetzende Linie in Richtung der X-Achse des Schwingers verläuft.
9. Schwinger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Oberfläche mit einem zusätzlichen metallischen Belastungselement (5, 6 bzw. 9?10) plattiert ist, das die Gestalt eines Abschnittes des Kreises hat, der von einer Kante der Kreisoberfläche begrenzt ist und mit ihr bündig abschließt, und daß die Belastungselemente -(5,6 bzw. 9*10) auf jeder Oberfläche in gleichen Abstanden beiderseits einer Linie angeordnet sind, welche die Mitte jeder Kreisoberfläche in X-Richtung durchsetzt.
10. Schwinger nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelle an der

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einen Kreisoburiir.u:j..i2l:c.72te, zu welcher dor eine Steg (5 bzw. 8) führt, ujt. 180° gegenüber der Stelle versetzt ir>t_v zu welcher der andere Steg (8 bzw. 3) führt.
11. Schwinger nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch g e k e η κ s e i c h η e t, daß ^eäes Bel&stungseleraent (5, 6 bzw,- S. 10) von der zugeordneten Elektrode (2 bzw. 7) einen Abstand in Bereich von etwa 25 um bis ρ in hat.
12. Schwinger nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch.g ekennzei chnet, daß die Elektroden aus Aluminium mit einer Dicke von etwa 1 nm und die Belastuiig.'iülemente aus Silber mit einer Dicke von etwa 12 ma bestehen..

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