DE912709C

DE912709C - Piezoelektrische Resonatoreinrichtung

Info

Publication number: DE912709C
Application number: DEZ994D
Authority: DE
Inventors: Dr Eduard Gerber
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1939-12-06
Filing date: 1939-12-06
Publication date: 1954-06-03

Description

Piezoelektrische Resonatoreinrichtung Es ist bekannt, piezoelektrische Kristalle in Hochfrequenzkreisen an Stelle der sonst üblicher., aus Spulen und Kondensatoren aufgebauten Schwingungskreise und Filter zu verwenden. Die wichtigste Forderung, die an einen derartigen, in Resonator- oder Oszillatorschaltung verwendeten Kristall gestellt wird, ist die der Einwelligkeit, d. h. der Kristall darf nur auf eine einzige Frequenz ansprechen. Man ist nun heute zwar in der Lage, durch geeignete Formgebung des Kristallstabes oder der Kristallplatte innerhalb eines engen Bereiches zu beiden Seiten der Hauptresonanz Nebenwellen zu vermeiden. Eine derartige Formgebung kann durch richtige Wahl der Abmessungsverhältnisse oder bei Kristallplatten auch noch zusätzlich durch Facettierung erreicht werden. Es ist jedoch noch nicht gelungen, über einen größeren l,' recluenzbereich Einwelligkeit zu erzielen. Hier schafft die vorliegende Erfindung Abhilfe.
Bekanntlich liegt die Ursache für das Auftreten der meisten Nebenwellen bei piezoelektrischen Kristallen darin, daß gleichzeitig mehrere durch die Dimensionen der Länge und Breite bzw. des Durchmessers einerseits und der Dicke anderseits bestimmte Schwingungen vorhanden sind, deren Grund- und Oberwellen zum größten Teil miteinander gekoppelt sind. Erfindungsgemäß werden nun zur Erzielung der geforderten weitgehenden Einwelligkeit bei einer aus zwei oder mehreren Kristallelementen bestehenden piezoelektrischen Resonatoreinrichtung die Abmessungen derKristallelemente so gewählt, daß sich bei sämtlichen Kristallen für die Hauptwelle dieselbe oder annähernd dieselbe Frequenz ergibt, die Nebenwellen jedoch an verschiedenen Stellen des Frequenzspektrums liegen. Durch diese Maßnahme ergibt sich eine piezoelektrische Einrichtung, die nur auf die Frequenz der Hauptwellen anspricht, da nur diese Frequenz allen Kristallelementen gemeinsam ist. Auf diese Weise wird eine praktisch vollständige Nebenwel.lenfreiheit erzielt. So kann nach einer Ausführungsart der Erfindung die piezoelektrische Resonatoreinrichtung aus zwei oder mehreren Kristallen bestehen. die dieselbe Dicke, jedoch voneinander abweichende Ouerdimensionen, d. h. Länge und Breite, oder Durchmesser aufweisen. Nach einer weiteren Ausführungsart der Erfindung kann die piezoelektrische Resonatoreinrichtung auch aus zwei oder mehreren Kristallen bestehen, die dieselbe Dicke, jedoch voneinander abweichende Facetten aufweisen.
Die Kristallplatten oder -stäbe können durch geeignete Verbindung ihrer Anregungselektroden lediglich elektrisch zusammengeschaltet sein, sie können auch lediglich mechanisch gekoppelt sein. oder es kann eine Kombination von elektrischer und mechanischer Verbindung vorgesehen sein. Nach einer Ausführungsart der Erfindung werden die Kristalle elektrisch hintereinandergeschaltet und in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Nach einer weiteren Ausführungsart werden zwei oder mehrere Kristalle mechanisch gekoppelt, wobei sie in einem gemeinsamen Gehäuse unmittelbar aufeinanderliegend angeordnet werden. Nach einer anderen Ausführungsart wird die mechanische Kopplung mit einer elektrischen Verbindung vereinigt, indem die Kristalle aufeinanderliegen und die Fläche mindestens eines der Kristalle, zweckmäßig die Fläche des flächenmäßig größeren Kristalls. die dem anderen Kristall zugekehrt ist, metallisiert ist, wobei diese metallische Belegung als Zwischenelektrode dient. Diese Zwischenelektrode kann unter Zuhilfenahme einer ringförmigen, in der Ebene der Zwischenelektrode angeordneten Metallscheibe vorteilhaft als Abschirmung der Kristalle dienen,wenn diese :Metallscheibe mit der Zwischenelektrode leitend verbunden ist. Die elektrische Zuleitung zur Zwischenelektrode, die durch eine Metallisierung der Kristallflächen gebild?t wird, ist besonders günstig in dem Fall anzubringen, wenn die Kristalle sich durch die verschiedene Größe der Querdimensionen unterscheiden, da dann die Zuleitung auf der Metallisierung de.-über den einen Kristall hinausragenden Fläche des anderen flächenmäßig größeren Kristalls angelötet oder angefedert «-erden kann.
Es ist bei elektrischer Hintereinanderschaltung der Kristalle möglich, die Frequenzen der Hauptwellen durch kleine Abweichungen der die Frequenzen der Hauptwellen bestimmenden Dimensionen um sehr kleine Beträge gegeneinander zu verstimmen, wodurch man eine Bandfiltercharakteristikerhält. Sind die Kristalle mechanisch durch Aufeinanderlegen gekoppelt, so können sie auch verkittet «-erden, oder sie können auch durch Federdruck zusammengehalten werden. Eine weitere Ausführungsart einer mechanischen Kopplung und elektrischen Zusammenschaltung ist dadurch gegeben, daß die Kristalle mit Zwischenraum angeordnet sind, wobei der Zwischenraum durch ein aus einem festen, flüssigen oder gasförmigen Körper bestehendes Kopplungsmittel ausgefüllt ist. Durch geeignete Wahl des Kopplungsmittels oder durch Veränderung des Abstandes der Kristalle kann hierbei der Kopplungsgrad verändert werden. Man kann somit ebenfalls eine Bandfütercharakteristik der piezoelektrischen Resonatoreinrichtung erhalten. Es ist zweckmäßig, bei dieser Ausführungsart zwischen den Kristallen und dem Kopplungsmittel je einen dünnen Metallschirm anzuordnen.
Eine reine elektrische Zusammenschaltung ohne mechanische Kopplung ist nach einem weiteren Gegenstand der Erfindung dadurch gegeben, daß man die einzelnen Kristallelemente der piezoelektrischen Resonatoreinrichtung auf einzelne Stufen einer Verstärkerschaltung verteilt. Auch hierbei wird nur die Frequenz der Hauptwelle, die den einzelnen Kristallelementen gemeinsam ist, hindurchgelassen, wodurch ebenfalls Einwelligkeit erzielbar ist.
Einige Ausführungsbeispiele seien an Hand der im nachfolgenden näher beschriebenen Abbildungen erläutert. Von diesen zeigen Abb. i bis q. Ausführungsformen elektrisch und mechanisch verbundener Kristallelemente zu einer piezoelektrischen Einrichtung im Sinne der Erfindung und Abb. 5 bis 7 Schaltungsanordnungen, in denen die pieznelektrischen Einrichtungen verwendet werden können.
In der Abb. i bedeuten i und 2 je einen Kristall mit gleicher Dicke, jedoch verschiedenen Querdimensionen. 3, q, 5 und 6 sind Elektroden, durch die die Kristalle elektrisch miteinander und mit anderen Elementen der Schaltung verbunden werden können. In der Abb. a ist eine mechanische Kopplung zweier Kristalle 7 und 8 mittels eines festen Körpers g dargestellt. Ist dieser Körper aus Metall, so kann er gleichzeitig als Zwischenelektrode verwendet werden. Die beiden weiteren Elektroden sind mit io und ii bezeichnet. In Abb. 3 sind zwei Kristalle 12 und 13 angeordnet, wobei sich zwischen diesen ein mechanisches Kopplungsmittel 14 befindet. Weiterhin ist zwischen diesem Kopplungsmittel und den Kristallen je ein dünner NZetallschirm 15 und 16 angeordnet, die elektrisch miteinander verbunden sind. Die äußeren Elektroden sind mit 17 und 18 bezeichnet. In der Abb. 4 ist eine aus den Kristallen i9 und 2o bestehende piezoelektrische Resonatoreinrichtung dargestellt, bei der die Fläche des den Querdimensionen nach größeren Kristalls 20 metallisiert ist. Diese Metallisierung 21 dient wiederum als Zwischenelektrode und ist durch eine metallische Feder 22 mit einer ringförmigen metallischen Abschirmung 23 leitend verbunden. Die äußeren Elektroden tragen die Bezeichnungen 24 und 25. Die Abb. 5 bifs 7 zeigen, wie die piezoelektri:schen Resonatoreinrich tungen in Schaltungen verwendet werden könne>>. In jeder dieser Schaltungen sind 26 und 27 zwei Verstärkerröhren, zwischen denen die erfindungsgemäße piezoelektrische Einrichtung 281 als eine Einheit wie in den Abb.5 und 6 oder getrennt als Einzelkristallelemente 29 und 30 zwischen den beiden Röhren und einer weiteren Röhre 31, wie Abb. 7 zeigt, angeordnet ist. Außerdem sind weitere Kopplungsmittel vorgesehen, die der Einfachheit halber als Widerstände 32 und 33 und Kondensatoren 34 dargestellt sind.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Piezoelektrische Resonatoreinrichtung, die aus zwei oder mehreren Kristallelementen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Kristallelemente so gewählt sind, daß sich bei sämtlichen Kristallen für die Hauptwelle dieselbe oder annähernd dieselbe Frequenz ergibt, die Nebenwellen jedoch an verschiedenen Stellen des Frequenzspektrums liegen.
2. Piezoelektrische Resonatoreinrichtungnach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zwei oder mehreren Kristallplatten besteht, die dieselbe Dicke, jedoch voneinander abweichende Querdimensionen aufweisen.
3. Piezoelektrische Resonatoreinrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zwei oder mehreren Kristallplatten besteht, die dieselbe Dicke, jedoch voneinander abweichende Facetten aufweisen.
4. Piezoelektrische Resonatoreinrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristalle elektrisch hintereinandergeschaltet und in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden. $.
PiezoelektrischeResonatoreinrichtungnach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehrere der Kristalle mechanisch gekoppelt sind.
6. PiezoelektrischeResonatoreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristalle unmittelbar aufeinanderliegen.
7. PiezoelektrischeResonatoreinrichtungnach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristalle aufeinanderliegen und die Fläche mindestens eines der Kristalle, zweckmäßig die des flächenmäßig größeren Kristalls, die dem anderen Kristall zugekehrt i!st, metallisiert ist, wobei diese metallische Belegung als Zwischenelektrode dient. B.
Piezoelektrische Resonatoreinrichtungnach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine ringförmige Abschirmung in der Ebene der Zwischenelektrode angeordnet ist, die mit der Zwischenelektrode leitend verbunden ist.
9. PiezoelektrischeResonatoreinrichtungnach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristalle verkittet sind. io.
Piezoelektrische Resonatoreinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristalle durch Federdruck zusammengehalten werden. i i.
Piezoelektrische Resonatoreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kristalle mit Zwischenraum angeordnet sind, wobei der Zwischenraum durch ein aus einem festen, flüssigen oder gasförmigen Körper bestehendes Kopplungsmittel ausgefüllt ist.
12. Piezoelektrische Resonatoreinrichtung nach Anspruch i i, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Kristalle veränderlich ist.
13. Piezoelektrische Resonatoreinrichtung nach den Ansprüchen4 und ii, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Kristallen und dem Kopplungsmittel je ein dünner Metallschirm angeordnet ist.
14. Piezoelektrische Resonatoreinrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Kristalle auf verschiedene Stufen einer Schaltungsanordnung verteilt sind.