DE3014865C2 - Piezoelektrischer Schwinger - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Schwinger nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, bei dem die Ausdehnungs- oder Expansionsmode der Schwingung ausgenützt wird.

Die F i g. 1 bis 3 der Zeichnungen zeigen verschiedene Beispiele eines qaudratischen plattenförmigen Schwingers, bei dem die Expansions- oder Ausdehnungsmode der Schwingung als Nutzschwingung ausgenutzt wird. Ein solcher piezoelektrischer Schwinger 1 besteht im wesentlichen aus einer piezoelektrischen Platte 11, beispielsweise aus PZT, einer Elektrode 12 auf einer Hauptfläche der Platte sowie einer Elektrode 13 auf der anderen Hauptfläche. Beim Beispiel eines Schwingers nach Fig.2 ist die auf der anderen Hauptfläche der piezoelektrischen Platte 11 aufgebrachte Elektrode 14 ■als Teilelektrode ausgeführt, d. h. die Elektiode bedeckt nur einen Teil der Plattenoberfläche. Das Beispiel nach Fig.3 zeigt einen Expansionsschwinger mit drei Anschlüssen, bei dem eine auf der anderen Hauptfläche der piezoelektrischen Platte 11 ausgebildete Elektrode 15 als Punkteleketrode ausgeführt ist, die von einer weiteren Elektrode 16 ringförmig umgeben ist. Da die Betriebsweisen solcher Piezoschwinger dem Fachmann bekannt sind, kann auf eine Erläuterung von Einzelheiten des Schwingungsverhaltens verzichtet werden.

Die F i g. 4 zeigt das Frequenzverhalten oder den Frequenzgang des für einen ZF-Kreis im AM-Band eines Rundfunkempfängers verwendeten Schwinger nach F i g. 3 als Beispiel für einen quadratischen piezoelektrischen Plattenschwinger, bei dem in herkömmlicher Weise die Expansionsmode der Schwingung ausgenützt wird. Wie sich aus dem Kurvenbild ersehen läßt, zeigen sich beträchtlich große Störschwingungen insbesondere für die dritte oder fünfte Harmonische der Grundschwingung. Dies führt zu erheblichen Problemen. Beispielsweise tritt die dritte Harmonische wie in F i g. 5 veranschaulicht auf; sie resultiert insbesondere daraus, daß der Grundschwingung eine stehende Welle mit dreifacher Frequenz in Expansionsrichtung der piezoelektrischen Platte 11 überlagert wird. Als eine Maßnahme zur wenigstens teilweisen Unterdrückung einer solchen Störschwingung um insbesondere eine stehende Welle auszuschließen, ist es wie in F i g. 6 gezeigt, bekannt, nur Teilelektroden 12a und 12b zu verwenden.

Durch solche Teilelektroden 12a und 13a (vgL F i g. 6) ist es insbesondere möglich, die elektrischen Oberflächenladungen im schraffierten Bereich der Oberflächenladungsverteilung (vgL unteren Teil der F i g. 6) zu beseitis gen, wodurch Schwingungen der dritten Harmonischen unterdrückt werden. Durch richtige Änderung der Gomoetrie der Teilelektroden lassen sich auch die fünfte und siebte Harmonische oder Störschwingungen im Eckbereich (Eckmoden) und dergleichen unterdrücken.

Mit dieser Maßnahme ist es jedoch nur möglich, jeweils eine bestimmte Störschwingung (beispielsweise die dritte Harmonische) zu unterdrücken, jedoch lassen sich damit nicht mehrere verschiedene Störschwingungen gleichzeitig durch Unterdrückung beseitigen. Wegen anderer Forderungen hinsichtlich der Frequenzgangkennlinie ist es häufig auch nicht möglich, die Elektrodengestaltung und -anordnung nur hinsichtlich der Unterdrückung von Störschwingungen festzulegen.
Piezoelektrische Schwinger gemäß den F i g. 1 bis 3 sind zusammen mit solchen, die auch andere Schwingungen als Ausdehnungsschwingungen ausnutzen, in einem von Denpa Shinbunsha 1974 herausgegebenen Buch unter dem übersetzten Titel »Piezoelektrische Keramik und deren Anwendung« auf den Seiten 237 und 268 dai gestellt

Aus der US-PS 37 17 778 ist es bekannt, die Platte eines piezoelektrischen Ausdehnungsschwingers mit dem Umriß eines unsymmetrischen Vieleckes auszugestalten, um dadurch das Schwingen der Platte in einer Oberschwingung zu fördern. Aus der US-PS 29 25 502 ist es weiterhin bekannt, eine piezoelektrische Platte, bei der Längsschwingungen ausgenutzt werden, parallelogrammförmig auszubilden, um Störschwingungen optimal zu unterdrücken. Für eine Platte, die Ausdehnungsschwingungen ausnutzt, ist eine derartige Maßnahme allerdings nicht bekannt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Schwinger der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß Störschwingungen optimal unterdrückf sind.

Die Erfindung ist durch die Merkmale des Hauptanspruchs gegeben. Sie zeichnet sich dadurch aus, daß die Platte des Schwingers nicht mehr quadratisch wie bisher ausgebildet ist, sondern mit zwei unterschiedlichen Seitenlängen der jeweils zwei zueinander parallelen Seiten und/oder mit Winkeln ungleich 90° zwischen aneinanderstoßenden Seiten ausgebildet ist Das Seitenverhältnis und/oder die Winkel sind dabei so gewählt, daß die Störschwingungen optimal unterdrückt sind. Durch

so Messungen hat sich herausgestellt, daß das Seitenverhältnis zweckmäßigerweise zwischen 0,7 und 0,98 liegt, und der spitze Winkel der beiden Winkel ungleich 90° zwischen 75° und 89° liegt. Die Bemessungsgrenzen sind vor allem dafür förderlich, daß sich die Platte noch leicht handhaben läßt.

Mit der Erfindung lassen sich störende Schwingungen, insbesondere die dritte und fünfte Harmonische, aber auch andere Schwingungsmoden, etwa Eckenschwingungen und Biegeschwingungen vollständig beseitigen, und zwar ohne einen Einfluß auf die Grundwelle, wenn die Geometrie der piezoelektrischen Platte in richtiger Weise gewählt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt die piezoelektrische Platte die Form eines Rhombus mit gleicher Seitenkantenlänge und zwei gegenüberliegenden stumpfen Winkeln, während die beiden übrigen einander gegenüberstehenden Winkel spitz sind. Die beiden gleichen spitzen Winkel werden in ei-

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nem Bereich von 75° bis 89° gewählt Ein solcher rhom- spiele für eine dritte Ausführungsform der Erfindung;

busförmiger piezoelektrischer Schwinger läßt sich ver- Fig.21 den Verlauf der Antiresonanz/Resonanzim-

gleichsweise leicht hersteilen, wenn lediglich die Ecken- pedanz in Abhängigkeit vom Seitenverhältnis d/c des

winkel vom rechtwinkligen Maß bei herkömmlichen piezoelektrischen Schwingers nach F ig. 17;

quadratischen Platten mit vier gleichen Seitenkanten 5 F i g. 22 den Verlauf der Antireiunanz/Resonanzim-

und vier gleichen Eckenwinkeln so verändert werden, pedanz in Abhängigkeit von einem Winkel θ 2 für den

daß sich die erwähnten stumpfen bzw. spitzen Ecken- piezoelektrischen Schwinger nach F ig. 17 und

winkel ergeben. Dies läßt sich durch eine nur geringfügi- F ig. 23 den Frequenzgang des erfindungsgemäßen

ge Änderung der üblichen Herstellungsvorrichtungen Ausführungsbeispiels nach Fig. 20 bei Verwendung im

erreichen. Dabei ist es nicht nötig, die Seitenlängen cer io ZF-Kreis eines AM-Bandteils eines R_undfunkempfän-

piezoelektrischen Platte zu verändern; es ändert sich gers.

lediglich die Form. Selbst das Gehäuse kann das gleiche Eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemä-

bleiben, wie es bisher für quadratische piezoelektrische ßen piezoelektrischen Plattenschwingers wird unter Be-

Schwingerplättchen verwendet wurde. zug auf die F i g. 7 bis 9 erläutert, wobei hinsichtlich der

In diesem Zusammenhang wurde auch ermittelt, daß 15 Elektrodenanordnung die entsprechenden Verhältnisse die Seitenlängen einer erfindungsgemäßen piezoelektri- wie bei den Plattenschwingern nach den F i g. 1,2 bzw. 3 sehen Schwingerplatte nicht notwendigerweise gleich gegeben sind. Bei dieser ersten Ausführungsform zeigt seip müssen, vielmehr kann auch die Gestalt eines Paral- die Hauptfläche der piezoelektrischen Platte die Gestalt Ielogramms gewählt werden, bei dem zwei einander ge- eines Rhombus anstelle eines Quadrats wie bei hergenüberliegende Seiten länger sidn als die übrigen bei- 20 kömmlichen Schwingern dieser Art Der spitze Eckenden kürzeren Seiten. Wird in diesem Fall das Seitenver- winkel Θ1 zwischen zwei aneinandergrenzenden Seiten hältnis der kurzen zur langen Seite im Bereich von 0,7 des Rhombus wird im Winkelbereich von 75° bis 89° bis 0,98 gewählt, so lassen sich ebenfalls Störschwingun- gewählt

gen wirkungsvoll unterdrücken, ohne daß die Grund- Die graphische Darstellung der F ϊ g. 10 zeigt den Wellenschwingung gestört wird. Es wurde weiterhin ge- 25 Verlauf einer Antiresonanz/Resonanzkennlinie in Abfanden, daß sich der erfindungsgemäße piezoelektrische hängigkeit von diesem Winkel Θ1, der auf der Abzisse Plattenschwinger auch als Rechteck, also mit vier glei- aufgetragen ist, während auf der Ordinate das Verhaltenen Eckenwinkeln und zwei gegenüberliegenden län- nis der Antiresonanzimpedanz zur Resonanzimpedanz geren und zwei gegenüberliegenden kürzeren Seiten (dB) wiedergegeben ist Die Kurve Λ in Fig. 10 gibt die realisieren läßt. 30 Frequenz der Grundschwingung, beispielsweise

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden 455 kHz an, während die Kurve B die bei beispielsweise

nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispiels- 1,2 MHz liegende dritte Harmonische, die Kurve C die

weisen Ausführungsformen näher erläutert Es zeigen bei 2,0 MHz liegende fünfte Harmonische, die Kurve D

F i g. 1 bis 3 verschiedene, bereits erläuterte Beispiele die beispielsweise bei 650 kHz liegende Eckmodenherkömmlicher rechteckförmiger Plattenschwinger, bei 35 Schwingung und schließlich die Kurve E die beispielsdenen die Expansionsmode der Schwingung ausgenützt weise bei 300 kHz liegende Biegeschwingungsmode anwird; gibt. Aus der F i g. 10 läßt sich für den rhombusförmigen

F i g. 4 den Frequenzgang des piezoelektrischen piezoelektrischen Plattenschwinger mit einem zwischen

Schwingers nach F i g. 3 mit drei Anschlüssen, wie er im 75° und 89° liegenden Eckenwinkel θ 1 ablesen, daß

ZF-Kreis des AM-Bands eines Rundfunkempfängers 40 Störschwingungen wirksam unterdrückt sind,

verwendet wird; Der in F i g. 11 dargestellte Frequenzgang gilt für die

F i g. 5 ein Schaubild zur Erläuterung der Erzeugung Ausführungsform nach F i g. 9, wenn der Plattenschwin-

der dritten Harmonischen der Grundschwingung; ger mit drei Anschlüssen in einem ZF-Kreis für das

F i g. 6 ein Beispiel für eine Elektrodenanordnung, mit AM-Band eines Rundfunkempfängers verwendet wird,

der sich die dritte Harmonische wirkungsvoll unterdrük- 45 wobei der Winkel Θ1 beispielsweise zu 87,5° gewählt

ken läßt; ist Im Vergleich mit der F i g. 4 zeigt sich, daß alle höhe-

F i g. 7 bis 9 Draufsichten auf unterschiedliche Bei- ren Harmonischen wirkungsvoll unterdrückt sind. Das spiele einer ersten Ausführungsform eines erfindungs- gleiche gilt auch für die Kanten- bz-w. Eckenmodengemäßen piezoelektrischen Schwingers; schwingung (F i g. 10), und ähnlich wirkungsvolle Effek-

Fig. 10 ein Schaubild, in dem Kennlinien der Antire- 50 te bei der Unterdrückung von Störschwingungen wer-

sonanz/Resonanzimpedanz in Abhängigkeit von einem den für jede Elektrodenstruktur erreicht (siehe die F i g.

Winkel Θ\ des piezoelektrischen Schwingers gemäß 7,8 oder 9).

F i g. 7 dargestellt sind; Wie sich außerdem aus F i g. 10 ergibt, werden Stör-

F i g. 11 den Frequenzgang der Ausführungsform ei- schwingungen auch noch bei Eckenwinkel Θ1 wirksam

nes erfindungsgemäßen Schwingers nach F i g. 9, der im 55 unterdrückt, die kleiner sind als 75°. Für diese spitzen

ZF-Kreis eines AM-Bar.dteils eines Rundfunkempfän- Winkel Θ1 jedoch werden die Ergebnisse zum Teil

gers verwendet werden soll; schlechter und die Herstellung wird komplizierter, ins-

Fig. 12 bis 14 Draufsichten auf unterschiedliche Bei- besondere beim Einbau in möglicherweise bereits vorspiele einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; handene Gehäuse. Außerdem wird das Phänomen der

F i g. 15 in einem Schaubild den Verlauf der Antireso- 60 sogenannten Resonanzaufteilung größer.

nanz/Resonanzimpedanz in Abhängigkeit vom Seiten- Unter Berücksichtigung dieser Umstände ist es emp-

verhältnis b/a des piezoelektrischen Schwingers nach fehlenswert, diese erste Ausführungsform der Erfindung

F i g. 12; den Winkel Θ1 im Winkelbereich von 75° bis 89° zu

Fig. 16 den Frequenzgang des piezoelektrischen wäh'en.

Plattenschwingers nach F i g. 14 bei Verwendung in ei- 65 Bei der zweiten Ausführungsform der Erfindung nach

nem ZF-Kreis im AM-Bandteil eines Rundfunkempfän- den Fig. 12, 13 und 14, die wiederum hinsichtlich der

gers; Elektrodenanordnung mit den Fi g. 1, 2 bzw. 3 überein-

F ig. 17 bis 20 die Draufsicht auf verschiedene Bei- stimmen, weist die piezoelektrische Schwingerplatte die

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Form eines Rechtecks auf im Gegensatz zu den Quadraten beim Stand der Technik. Das Seitenverhältnis b/a der größeren Seitenkantenlänge a zur kleineren Seitenkantenläge b des Rechtecks wird im Bereich von 0,7 bis 0,98 gewählt

Die Antiresonanz/Resonanzkennlinie für diese Ausführungsform der Erfindung gibt die graphische Darstellung der F i g. 15 wieder, wobei auf der Abszisse das Seitenverhältnis b/a und auf der Ordinate das Verhältnis der Antiresonanz- zur Resonanzimpedanz (dB) aufgetragen ist. Die Kurve A dient wiederum für die Grundwelle mit einer Frequenz von beispielsweise 455 kHz, die Kurve B bezieht sich auf die dritte Harmonische von beispielsweise 1,2 MHz, die Kurve Cgibt die Verhältnisse für die fünfte Harmonische von beispielsweise 2,0 MHz wieder, die Kurve D gilt für die Kanten- bzw. Eckenmode der Schwingung bei 650 kHz, und die Kurve E schließlich gilt für eine Biegeschwingung bei 300 kHz. Auch hier läßt sich ablesen, daß praktisch alle Störschwingungen wirkungsvoll unterdrückt sind, wenn das Seitenverhältnis b/a im Bereich von 0,7 bis 0,98 gewählt wird.

Die Frequenzgangkennlinie der Fig. 16 gilt für den Plattenschwinger nach F i g. 14 mit drei Anschlüssen bei Verwendung in einem ZF-Kreis des AM-Bandteils eines Rundfunkempfängers und für ein Seitenverhältnis b/a von beispielsweise 0,98. Aus Fig. 16 läßt sich ablesen, daß alle höheren Harmonischen wirkungsvoll unterdrückt sind, wenn das Kurvenbild mit dem der F i g. 4 verglichen wird, das für herkömmliche quadratische Plattenschwinger gilt. Entsprechendes gilt auch für die Ecken- bzw. Kantenmoden der Schwingung und unabhängig von der Gestalt der Elektroden (vgl. die Elektrodenflächen in F i g. 12,13 oder 14).

Aus Fig. 15 läßt sich auch ersehen, daß eine gute Störschwingungsunterdrückung erreicht werden kann, wenn das Seitenverhältnis b/a kleiner als 0,7 gewählt wird. Es ergeben sich aber bei zu kleinen Seitenverhältnissen Schwierigkeiten bei der Handhabung und insbesondere wird der Einbau in ein Gehäuse erschwert, wenn herkömmliche Gehäuse verwendet werden sollen, und außerdem tritt ersichtlicherweise das oben bereits erwähnte Phänomen der sogenannten Resonanzaufteilung auf. Es empfiehlt sich also, für diese zweite Ausführungsform der Erfindung das Seitenverhältnis b/a im Bereich von 0,7 bis 0,98 zu wählen.

Bei der Ausführungsform nach den F i g. 17 bis 20 hat die piezoelektrische Platte die Form eines Parallelogramms im Gegensatz zur quadratischen Form bei den Fig. 1, 2 und 3, welche mit den Fig. 17,18 bzw. 19, 20 hinsichtlich der speziellen Gestaltung der Elektroden angepaßt übereinstimmen. Das Seitenverhältnis afc der langen Seite c zur kurzen Seite d des Parallelogramms wird im Bereich von 0,7 bis 038 gewählt. Der Spitze Winkel 02 zwischen zwei Seiten des Parallelogramms wird im Winkelbereich von 75° bis 89° gewählt

Das Schaubild der F i g. 21 zeigt den Verlauf des Antiresonanz/Resonanz-Impedanzverhältnisses in Abhängigkeit vom Seitenverhältnis d/c, wobei auf der Abszisse das Seitenverhältnis d/c und auf der Ordinate das Verhältnis der Antiresonanz- zur Resonanzimpedanz (dB) aufgetragen ist Die Kurve A in Fig.21 gilt für die Grundschwingung von wiederum beispielsweise 455 kHz; die Kurve B bezieht sich auf die dritte Harmonische bei \2 MHz, die Kurve Cgilt für die fünfte Harmonische von 2,0 MHz, die Kurve D bezieht sich auf die Ecken- bzw. Kantenmode der Schwingung bei 650 kHz und die Kurve E veranschaulicht die Verhältnisse für die

50 Biegeschwingung von beispielsweise 300 kHz.

Die graphische Darstellung der Fig.22 verdeutlicht die Kennlinie des Antiresonanz/Resonanz-Impedanzverhältnisses in Abhängigkeit vom Winkel θ 2 (vgl. F i g. 17), wobei auf der Abszisse der Winkel Θ 2 und auf der Ordinate das Verhältnis der Antiresonanz- zur Resonanzimpedanz aufgetragen ist. Die Kurve A' in F i g. 22 gilt wiederum für die Grundschwingung bei beispielsweise 455 kHz, die Kurve B' veranschaulicht die Verhältnisse für die dritte Harmonische bei 1,2 MHz, die Kurve C" gilt für die fünfte Harmonische von beispielsweise 2,0 MHz, die Kurve D'bezieht sich auf die Eckenbzw. Kantenmode der Schwingung bei 650 kHz, und die Kurve E' schließlich gilt für die Biegemode der Schwingung von beispielsweise 300 kHz.

Aus den F i g. 21 und 22 ist ersichtlich, daß weitgehend alle Störschwingungen wirksam unterdrückt werden, wenn für eine als Parallelogramm geschnittene piezoelektrische Platte das Seitenverhältnis d/c der längeren Seite c zur kürzeren Seite d des Parallelogramms im Bereich von 0,7 bis 0,98 und der Winkel 02 zwischen einer längeren Seite und einer kürzeren Seite im Winkelbereich von 75° bis 89° gewählt wird.

Die F i g. 23 zeigt wiederum den Frequenzgang für einen piezoelektrischen Plattenschwinger nach Fig. 19 bzw. 20 mit drei Anschlüssen bei Verwendung in einem ZF-Kreis des AM-Bandteils eines Rundfunkempfängers, wobei das Seitenverhältnis d/c beispielsweise zu 0,96 und der Winkel Θ 2 zu beispielsweise 87,5° gewählt sind. Auch aus F i g. 23 läßt sich ablesen, daß alle höheren Harmonischen wirkungsvoll unterdrückt werden, wenn ein Vergleich mit dem für herkömmliche Plattenschwinger dieser Art gültigen Kurvenschaubild der F i g. 4 vorgenommen wird. Entsprechendes gilt auch für die Ecken- bzw. Kantenmode der Schwingung (Fig. 21 und 22) und ein ähnlicher Effekt ergibt sich für die Unterdrückung der Störschwingungen unabhängig von der Elektrodengestaltung für die in Fig. 17,18 oder 19 und 20 Beispiele zeigen.

Aus den F i g. 21 und 22 ist weiterhin ersichtlich, daß eine Unterdrückung von Störschwingungen auch dann erreicht wird, wenn das Seitenverhältnis d/c kleiner als 0,7 und der Winkel 02 kleiner als 75° gewählt wird. Es ergeben sich aber bei zu kleinem Seitenverhältnis d/c Handhabungsschwierigkeiten und der Einbau des Schwingerplättchens in ein geeignetes, möglicherweise bereits vorhandenes Gehäuse wird schwieriger, und es tritt das erwähnte Phänomen der Resonanzaufteilung auf. Demgemäß ist es empfehlenswert, das Seitenverhältnis d/c im Bereich von 0,7 bis 0,98 und den Winkel θ 2 im Winkelbereich von 75° bis 80° zu wählen.

Erfindungsgemäßc piezoelektrische Schwinger eignen sich für Resonatoren, für dreipolige Filter, für Kettfilter und dergleichen.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

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Claims (2)

Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer Schwinger aus einer piezoelektrischen Platte mit vier Seiten, von denen jeweils zwei parallel zueinander verlaufen, bei welchem Schwinger die Grundausdehnungsschwingung ausgenutzt wird, wobei jedoch Störschwingungen wie Harmonische zur Grundschwingung oder wie Biegeschwingungen oder Eckschwingungen auftreten, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte zwei unterschiedliche Seitenlängen (a, b; c, d) und/ oder einen Winkel zwischen 75° und 89° zwischen aneinanderstoßenden Seiten aufweist, wobei das Verhältnis der Seitenlängen und/oder die Winkel in bekannter Weise so gewählt sind, daß Störschwingungen optimal unterdrückt sind.

2. Schwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Seitenverhältnis innerhalb eines Bereiches von 0,7 bis 0,98 ausgewählt ist.