DE2346978A1 - Elektromechanischer wandler und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

DR.-ING. HERBERT PATZOLD „-

PATENTANWALT t J H D s) ' ö

8 MÜNCHEN 71

HINDELANGSTRASSE 8 TELEfON 0811/75 77 25 TELEGRAMMADRESSE: PATITIA MÜNCHEN

Nippon Electric Company, Limited 33-1, Shiba Gochome, Minato-ku, TOKIO Japan

Elektromechanischer Wandler und Verfahren zu seiner

Herstellung

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wanier für Torsionsschwingungen mit wenigstens einem piezoelektrischen Körper in Verbindung mit zwei Elektroden.

Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wandlers.

Wandler der vorstehenden Art können in mechanischen Filtern verwendet werden, die vor allem in Multiplexnachrichtensystemen von besonderer Wichtigkeit sind. Je höherwertiger die Multiplexverbindungen sind, um so höher sind die Anforderungen an einem in dem System verwendeten Filter, insbesondere hinsichtlich seiner Selektivität und seiner Stabilität.

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ORIGINAL INSPECTED

DEUTSCHE BAXK AG KONTO-NH. 58/28531 POSTSCHECK MÜNCHEN 145918-809

In diesem Zusammenhang muß ein Mlter einen Q-Wert und eine Stabilität besitzen, der um mehrere Größenordnungen höber liegt als die entsprechenden Werte eines Filters, der herkömmliche elektrische Schaltelemente (Spulen und Kondensatoren) umfaßt, weil sein mechanischer Yibrator oder Resonator aus einem elastisch unveränderbaren Material besteht. Weitere wichtige Eigenschaften eines mechanischen Filters sind seine gedrungene Bauweise, seine Sicherheit und seine hohe Leistung.

Bei einem mechanischen Resonator ist die Beziehung zwischen der Resonanzfrequenz und seiner Größe klar bestimmt durch die Art der Schwingungt Zum Beispiel wird die Resonanzfrequenz für eine longitudinale oder torsionale Schwingung und für eine Biegeschwingung durch die Länge und Stärke bestimmt. Bei einer longitudialen und einer torsionalen Schwingung, die in einem mechanischen Resonator häufig verwendet werden, ist die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der longitudinalen Schwingung wesentlich höher als die der torsionalen Schwingung. Mit höherer Fortpflanzungsgeschwindigkeit ist ein mechanischer Resonator von gegebenen Abmessungen mit einer höheren Resonanzfrequenz versehen. Die torsionale Schwingung ist daher im Hinblick auf eine Miniaturisierung eines mechanischen Resonators vorteilhaft und erlaubt außerdem einen hohen Q-Wert und hohe Stabilität,

Es ist bereits ein elektromechanischer Wandler für Torsionsschwingungen vorgeschlagen worden, der ein piezoelektrisches Keramikteil aufweist. Solch ein elektromechanischer Wandler ist kompliziert und industriell schwierig herzustellen bezüglich des Aufwandes für die Formgebung, die Bearbeitung und die Polung der piezoelektrischen Keramikteile sowie der Anbringung der Keramikteile an einen mechanischen Resonator.

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Ein elektromecbanischer Wandler, der ein im wesentlichen scheibenförmiges piezoelektrisches Keramikteil enthält, ist in der älteren US-Patentanmeldung, Serial Nr. 26.231 vom 17. April 1972 (Norio Tsubouehi) und in der entsprechenden älteren deutschen Patentanmeldung, Offenlegungsschrift Nr. 2 219 735 vom 25. Januar 1973 enthalten. Es ist relativ einfach, die piezoelektrischen Keramikteile herzustellen, die in dem älteren Vorschlag für einen Wandler benutzt werden. Dieser Wandler besitzt bereits ein ausgezeichnetes Kapazitätsverhältnis· Es zeigte sich jedoch, daß trotz Aufgabe des guten Kapazitätsverhältnisses bei einem abgeänderten Wandler ein ebenso hoher mechanischer Qualitätsfaktor von 3.000 und eine ebenso hohe Stabilität von + 40 Hz erzielt wurden. Die letzteren Eigenschaften sind besonders wichtig für mechanische Signalfilter, die für Kanal-Modulator-Demodulator für höhere Irägerfrequenzen benutzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen elektromechanischen Wandler der eingangs genannten Art mit !Dorsionsschwingungen anzugeben, der ein piezoelektrisches Keramikteil von einfacher Gestalt aufweist. Dabei soll sich das Keramikteil leicht polen und ohne Schwierigkeiten schnell und einfach an einem mechanischen Resonator anbringen lassen. Der Wandler soll außerdem einen mechanischen Gütefaktor, eine niedrige Impedanz und ein ausreichendes Kapazitätsverhältnis besitzen und soll in einem Signalfilter für Nachrichtenübertragungskanäle besonders geeignet sein.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Weise gelöst, daß der scheibenförmig ausgebildete Körper aus einem Keramikmaterial entlang benachbarten Schmalseiten in Richtung auf die entgegengesetzten Enden einer Diagonale durch die Hauptebene des Körpers gepolt ist.

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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wandlers besteht darin, daß der Keramikkörper eine rechteckige Gestalt aufweist und der Körper entlang gegenüberliegenden Schmalseiten in entgegengesetzten Richtungen gepolt ist, wobei je zwei benachbarte Schmalseiten in Richtung auf entgegengesetzte Enden einer Diagonale gepolt sind.

Weitere vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Wandlers ergeben sich aus den Merkmalen der übrigen Unteransprüche und der nachfolgenden Beschreibung.

Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wandlers besteht darin, daß ein langgestreckter Block aus piezoelektrischem Keramikmaterial mit einem die Gestalt der herzustellenden scheibenförmigen Keramikkörper aufweisenden rechteckigen Querschnitt entlang seinen Längskanten mit Elektroden versehen wird und jeweils zwei Elektroden entlang diagonal gegenüberliegenden Längskanten mit je einem elektrischen Leiter verbunden werden, daß die Leiter an die Pole einer Gleichstromquelle angeschlossen und nach der Polung des Keramikblockes dieser zur Bildung von einzelnen scheibenförmigen Keramikkörpern senkrecht zu den Längskanten aufgeschnitten wird.

Anhand von schematischen Zeichnungen wird die Erfindung für Ausführungsbeispiele mehr im einzelnen beschrieben und erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 einen elektromechanischen Wandler gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung,

Pig. 2 einen piezoelektrischen Keramikblock, der gepolt wird,

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Fig. 3 einen elektromechanischen Wandler gemäß einem zweiten Ausfübrungsbeispiel nach der Erfindung,

Pig. 4 einen dritten Wandler nach der Erfindung ähnlich dem nach Fig. 3»

Fig. 5 einen elektromechanischen Wandler gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung,

Fig, 6 einen elektromechanischen Wandler gemäß einem fünften Ausfübrungsbeispiel nach der Erfindung und

Fig. 7 einen mechanischen Filter mit zwei elektromechanischen Wandlern nach der Erfindung.

In Fig. 1 umfaßt der elektromechanische Wandler gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ein piezoelektrisches Keramikteil 11 von rechteckiger Gestalt, wobei gegenüberliegende Seitenflächen entgegengesetzt gepolt sind, so daß die zurückbleibende Polarisation zu den entgegengesetzten Enden einer Diagonale des Keramikteiles 11 gerichtet sein kann, wie die gestrichelten Linien zeigen. Das piezoelektrische Material kann z.B. Bariumtitanat (BaTiO,) oder eine feste Lösung aus Bleititanat (PbTiO₅) und Bleizirkonat (PbZrO₅) sein.

In Fig. 2 ist ein Block 12 aus piezoelektrischem Material mit Elektroden 13, H, 15 und 16 entlang den Seitenkanten des Blockes versehen. Die Elektroden 13 und 15 entlang den diagonal gegenüberliegenden einen Kanten sind an diagonal gegenüberliegenden Ecken mit der einen Leitung 17 und die Elektroden H und 16 entlang den verbleibenden anderen Kanten sind an entgegengesetzt diagonal gegenüberliegenden Ecken mit einer weiteren Leitung 18 verbunden. Die Leitungen 17 und 18 sind

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an die Pole einer Gleichstromquelle 19 zur Erzeugung eines starken GKLeichstromfeldes in dem Block 12 angeschlossen. Die Gleichstromquelle ist hier durch eine Batterie angedeutet. Nach der Polung wird der Block 12 in eine Anzahl flacher piezoelektrischer Keramikteile entsprechend dem plattenförmigen Keramikteil 11 geschnitten.

Zurück zu Fig. 1, so umfaßt der elektromechanische Wandler einen mechanischen Vibrator oder Resonator 21 aus einem elastisch beständigem Material mit wenigstens einer ebenen Fläche 22. Das Keramikteil 11 wird an der ebenen Fläche mit einem elektrisch leitenden Bindemittel befestigt. Die freie Fläche des Keramikteiles 11 wird mit einer Elektrode 23 bedeckt. Leitungen 26 und 27 sind mit der Elektrode 23 und dem mechanischen Resonator 21 verbunden, zwischen denen eine Wechselstromquelle 29 zum Betrieb des elektromechanischen Wandler? geschaltet ist. Es ist damit deutlich, daß der mechanische Resonator 21 auch als Elektrode dient, wobei die Elektrode an der ihr zugewandten Hauptfläche des Keramikteiles 11 anliegt.

In Fig. 3 ist ein elektromechanischer Wandler gemäß einer zweiten Ausführungsform nach der Erfindung gezeigt, wobei entsprechende Teile der Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der Unterschied zur Ausführungsform nach Fig. 1 besteht darin, daß ein piezoelektrisches Keramikteil 31 vorgesehen ist, welches eine rechteckige Gestalt aufweist und zentral einen rechteckigen, fensterartigen Ausschnitt besitzt. Das Keramikteil 31 kann entsprechend wie in Fig. 2 hergestellt sein. Der fensterartige Ausschnitt kann z.B. mittels Ultraschallbearbeitung hergestellt sein. Es ist zu bemerken, daß der mechanische Resonator 21 im vorliegenden Falle im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist und wenigstens eine ebene Fläche 22 besitzt.

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Wie die Fig. 1 und 3 verdeutlichen, wird die Wechselstrombe triebsspannung senkrecht zu dem piezoelektrischen Keramikteil 11 bzw. 31 und entsprechend den Richtungen der zurückbleibenden Polarisation angelegt. Wie bekannt, ist es für die Erzeugung einer Grleitbeanspruchung bzw. -spannung in einem elektrostriktiven Wandler ausreichend, daß die Richtung der angelegten Wechselspannung senkrecht zur Richtung der verbleibenden Polarisation verläuft. Das Keramikteil 11 oder 31 wird daher einer Grleitbeanspruchung ausgesetzt, die im Beispielsfalle durch strichpunktierte Linien verdeutlicht sind. Die Grleitbeanspruchung führt zu einer torsionalen Schwingungsform in dem Keramikteil 11 oder 31 und damit in dem Resonator 21.

In Pig. 4- ist ein elektrome chanischer Wandler gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung gezeigt, der ein erstes und zweites piezoelektrisches Keramikteil 11 und 11· ähnlich dem Keramikteil 11 der ersten Ausführungsform nach Pig. 1 und einen mechanischen Resonator 21 aufweist, der wenigstens zwei parallele ebene Plächen 22 und 22· enthält. Die Keramikteile 11 und 11' sind an den entsprechenden Plächen 22 und 22^ mit einem elektrisch leitenden Mittel gehalten. Dabei laufen die Richtungen der verbleibenden Polarisation in den entsprechenden Keramikplatten 11 und 11* im wesentlichen antiparallel Die äußeren Hauptflächen des ersten und zweiten Keramikteiles 11 und 11! sind mit einer ersten bzw. zweiten Elektrode 23 und 23^f versehen, leitungen 26 und 27 sind mit der ersten Elektrode 23 bzw. mit dem mechanischen Resonator 21 verbunden. Eine von der leitung 26 abzweigende Leitung 26' ist mit der zweiten Elektrode 23' verbunden· Damit ist verständlich, daß der mechanische Resonator 21 auch als eine zentrale, gemeinsame Elektrode für die Keramikteile 11 und 11' dient und daß eine herkömmliche Elektrode in Verbindung mit den Keramikteilen 11 und 11^f durch den mechanischen Resonator 21 ersetzt werden kann. Sowohl zwischen der zentralen Leitung 27 und der Leitung 26 als auch der Leitung 27 und der Leitung 26' ist

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eine Wechselstrombetriebsquelle geschaltet.

Fig. 5 zeigt einen elektromechanischen Wandler gemäß einer vierten Ausfüh_rungsform nach der Erfindung, die ähnlich ist der Ausführungsform nach Fig. 3, mit dem Unterschied, daß die Keramikteile 11 und 11^! an einem Paar paralleler ebener I¹IaChen 22 und 22» des mechanischen Resonators 21 befestigt sind, wobei die Richtungen der verbleibenden Polarisation im wesentlichen parallel verlaufen und Wecheelstrombetriebsspannung nur an den Elektroden 23 und 23' liegt, die an den äußeren Hauptflächen der Keramikteile 11 und 11· angebracht sind. Die Keramikteile 11 und 11· haben hier eine im wesentlichen quadratische Gestalt und die Flächen 22 und 22·, zwischen denen sich die Längsseiten des mechanischen Resonators 21 erstrecken, dienen als wenigstens zwei parallele ebene Flächen.

In Fig. 6 ist ein elektromechanischer Wandler gemäß einer fünften Ausführungsform nach der Erfindung gezeigt, die zwei mechanische Resonatoren 21 und 21⁽ enthält, von denen jeder wenigstens eine ebene Fläche 22 bzw. 22* besitzt. Die ebenen Flächen 22 und 22^f der entsprechenden mechanischen Resonatoren 21 und 21' befinden sich an gegenüberliegenden Hauptflächen des piezoelektrischen Keramikteiles 11.

In Fig. 7 ist schließlich ein mechanischer Filter gezeigt, der ein Paar elektromechanischer Wandler 36 und 37 nach der Erfindung und mehrere mechanische Resonatoren enthält, die mit 38 bezeichnet sind,, Die Wandler 36 und 37 und die Resonatoren 38 sind an einem Kopplungsstab 39 angeschweißt.

Es wurden mehrere Zirkonat-Titanat-Keramikstücke untersucht, von denen einige 15 mm lang, 5 mm breit und 1 mm stark waren. Andere waren 6 mm lang und breit und 1 mm stark. Für die radiale Schwingungsform betrug der elektromechanische Kopplungskoeffizient Kr 60 % und der mechanische Gütefaktor Qm betrug 1000. Die keramischen Teile wurden in einem

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Gleichspannungsfeld zwischen 2 und 3 kV/mm bei 10O⁰C während 30 min in Längsrichtung gepolt. Einige der keramischen Stücke wurden mit fensterartigen Ausschnitten versehen, die 11 mm lang und 1 mm breit für die rechteckigen Teile und 2 mm im Quadrat für die quadratischen !Teile waren. Ein rechteckiger mechanischer Vibrator mit quadratischen Stirnflächen von 6 mm Kantenlänge wurden in längen von 18 und 9 mm aus einer Eisen-Nickel-Ohrom-Legierung gefertigt, die unter der Bezeichnung "elinvar" bekannt ist. Außerdem wurden mechanische Resonatoren in der Gestalt nach Fig. 3 aus "Elinar"-Stäben gefertigt. Von den Stäben, die 6 mm im Durchmesser und eine Länge von 13 mm aufwiesen, wurden zur Bildung der parallelen ebenen Flächen sagittal 1,5 mm Abschnitte abgeteilt. Die piezoelektrischen Keramikstücke wurden mit einer elektrisch leitenden Masse auf verschiedenen mechanischen Resonatoren befestigt. Die Bindemasse enthielt Silberpaste als Hauptbestandteil. Es wurden aufgedampfte Goldelektroden verwendet. Die folgende Tabelle zeigt die kennzeichnenden Ergebnisse, die mit verschiedenen Ausführungsformen von erfindungsgemäßen elektromechanischen Wandlern mit Torsionsschwingung erhalten wurden.

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Elektromechanischen Resonanz-Wandler frequenz

(kHz)

Kapazitätsverhältnis

Mechanischer Kapazität Qualitäts- bei 1 kHz faktor Qm (pF)

Fig. 1

Pig. 1 mit Keramikteil nach Fig. 3

Fig. 3

Fig. 3 mit Keramikteil nach Fig. 1

Fig. 4

Fig. 4 mit Resonator nach Fig.3

Fig. 4 mit Keramikteilen nach Fig. 3

Fig. 4 mit Keramikteilen und Resonator nach Fig. 3

Fig. 4 mit einer Zwischenelektrode ersetzt für einen Resonator

5 mit nur einem Keramikteil

Pig. 5 mit zurückbleibender Polarisation antiparallel gerichtet

54,9 53,5 52,0 53,8

54,7 53,5

53,7 53,0

150 120 100 130

75 70

50 45

1450
1420
1400
1450

1350
1350

1320
1300

750 640 620 720

1500 1400

1300 1250

56,3	20	850	1450
51,0	150	1400	360
50,5	70	1350	730

Aus der¹ Tabelle folgt, daß die Resonanzfrequenz niedrig ist im Vergleich mit der Masse des elektromechanischen Wandlers, daß der Wandler einen hohen mechanischen Gütefaktor und eine große elektrostatische Kapazität besitzt und daß das Kapazitätsverhältnis genügend klein ist. Die Abnahme des Kapazitätsverhältnisses war bemerkenswert bei einem elektromechanischen Wandler gemäß Fig. 4 und vor allem, wenn eine zwischengeordnete Elektrode für einen mechanischen Resonator 21 ersetzt ist. Die elektrostatische Kapazität ist einstellbar durch Wahl der Stärke der piezoelektrischen

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Eeramikteile 11 und 31. Das heißt, gemäß der Erfindung ist es leicht, elektromechanische Wandler von "besonders kleiner Größe herzustellen, die einen mechanischen Resonator von 1,5 Millimeter im Durchmesser aufweisen, wobei eine ebene Fläche längs zum Resonator gebildet und ein piezoelektrisches Keramikteil mit der Fläche in Verbindung gebracht ist.

Patentansprüche

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Claims (10)

1. Patentansprüche

   M. EElektrome chanischer Wandler für Torsionsschwingungen "** -^y mit wenigstens einem piezoelektrischen Körper in Verbindung mit zwei Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß der scheibenförmig ausgebildete Körper (11; 31) aus einem Keramikmaterial entlang benachbarten Schmalseiten in Richtung auf die entgegengesetzten Enden einer Diagonale durch die Hauptebene des Körpers gepolt ist.
2. 2. Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper (11; 31) eine rechteckige Gestalt aufweist und der Körper entlang gegenüberliegenden Schmalseiten in entgegengesetzten Richtungen gepolt ist, wobei je zwei benachbarte Schmalseiten in Richtung auf entgegengesetzte Enden einer Diagonale gepolt sindo
3. 3. Wandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode als ein mechanischer Resonator (21) ausgebildet ist, der wenigstens eine ebene Fläche (22) aufweist, die im Kontakt mit einer Hauptfläche des Keramikkörpers (11; 31) ist.
4. 4. Wandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroden jeweils als mechanische Resonatoren (21, 21') ausgebildet sind, wobei jeder Resonator wenigstens eine ebene Fläche (22, 22·) aufweist, die jeweils im Kontakt mit einer der beiden gegenüberliegenden Hauptflächen des Keramikkörpers (11; 31) sind.
5. 5. Wandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Keramikkörper (11, 11') vorgesehen sind, wobei jeweils die einen Hauptflächen der Keramikkörper im Kontakt mit je einer Elektrode (23» 23') und die anderen

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   Hauptflächen im Eontakt mit einer dritten, zwischen den beiden Keramikkörpern angeordneten Elektrode sind, wobei die Richtungen der Polarisation der Keramikkörper antiparallel verlaufen.
6. 6. Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Elektrode als ein mechanischer Resonator (21) mit wenigstens zwei parallelen ebenen Flächen ausgebildet ist, die im Kontakt mit den Keramikkörpern (11, 11
7. 7. Wandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Keramikkörper (11, 11') vorgesehen sind, wobei jeweils die einen Hauptflächen der Keramikkörper im Kontakt mit je einer Elektrode sind, daß zwischen den Keramikkörpern ein mechanischer Resonator (21) mit wenigstens zwei parallelen Flächen angeordnet ist , die im Kontakt mit den anderen Hauptflächen der Keramikkörper sind, wobei die Richtungen der Polarisation der Keramikkörper parallel verlaufen.
8. 8. Wandler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikkörper (11, 11¹) quadratisch ausgebildet sind.
9. 9· Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Keramikkörper im Zentrum einen fensterartigen Ausschnitt aufweisen.
10. 10. Verfahren zur Herstellung des Wandlers nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein langgestreckter Block aus piezoelektrischem Keramikmaterial mit einem die Gestalt der herzustellenden scheibenförmigen' Keramikkörper aufweisenden rechteckigen Querschnitt entlang seinen Längskanten mit Elektroden-versehen wird und jeweils zwei Elektroden entlang diagonal gegenüberliegenden Längskanten mit je einem elektrischen Leiter verbunden werden, daß die Leiter an die Pole

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    einer Gleichstromquelle angeschlossen und nach der Polung des Keramikblockes dieser zur Bildung von einzelnen scheibenförmigen Keramikkörper!! senkrecht zu den Längskanten aufgeschnitten wird.

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