NO121560B - - Google Patents

Description

Elektromekanisk filter.

Oppfinnelsen angår et elektromekanisk filter med et polariserende piezoelektrisk legeme i form av en flat, sirkelformet ring eller skive, hvis flatsider er forsynt med signalelektroder. Filterlegemet blir som oftest brakt i en svingningsmodus hvor enten samtlige punkter av legemets ene endeflate beveger seg i samme fase i aksial retning bort fra den andre endeflate og mot denne igjen (tykkelsesvibrasjon), eller samtlige punkter i den ytre sylinderflate beveger seg i samme fase fra eller mot asken (radialvibrasjon). Ved radialvibrasjon blir den laveste resonansfrekvens eller grunnfrekvens i forste rekke bestemt av den storste dimensjon, dvs. diameteren av skiven resp. den ytre og indre diameter av ringen. Hvis det onskes en hoyere frekvens enn grunnsvingningen, f.eks. 10 MHz eller mere, er radialvibratorer i alminnelighet mindre egnet på grunn av de små dimensjoner som da er nodvendig for det piezoelektriske legeme.

For hoye grunnfrekvenser kommer derfor tykkelsesvibratorer på tale. Ved slike vibratorer blir legemet brakt i en modus hvis frekvens tilsvarer legemets tykkelse. Med denne svingningsmodus opp-trer imidlertid mange uonskede uharmoniske svingninger, dvs. mekaniske resonansfrekvenser i det piezoelektriske legeme i nærheten av grunnfrekvensen som motvirker den mellom signalelektrodene målte elektriske impedans og derfor forer til en uonsket elektrisk karakteristikk. Ved en utforelsesform av et slikt elektromekanisk filter er derfor det piezoelektriske legeme utformet som en flat sirkelformet skive hvis endeflater i midten er forsynt med to sirkelformede signalelektroder og hvor materialet i legemet mellom de to elektroder er polarisert i aksial retning, altså vinkelrett på endeflatene. Ved påtrykning av en signalspenning på signalelektrodene vil legemet på stedet for elektrodene bringes i tykkelsesvibrasjon som forplanter seg videre til kanten av legemet. Ved denne kant er polariseringen valgt i radial retning, slik at det mellom en av elektrodene på endeflatene og en elektrode som er anbrakt på sylinderflatene på legemet kan tas en elektrisk utgangssvingning, idet den nevnte radiale polarisering tjener til god omsetning av den mekaniske energi i tykkelsesvibrasjonen som forplantes mot kanten av legemet til elektrisk energi mellom de nevnte utgangselektroder.

Hensikten med oppfinnelsen er å tilveiebringe et elektromekanisk filter hvor det piezoelektriske legeme bringes i en svingningsmodus som ved hoyere verdier av grunnfrekvensen har betraktelig mindre uonskede uharmoniske mekaniske svingninger enn tilfellet er v,ed vanlig tykkelsesvibrasjon. Dette oppnås ifdlge oppfinnelsen ved at legemets materiale i det minste mellom de overfor hverandre liggende

.signalelektroder har remanent polarisering i radial retning, hvorved den av signalspenningen på signalelektrodene frembrakte elektriske svingning er rettet hovedsakelig vinkelrett på polariseringen. I motsetning til det ovenfor nevnte filter som er basert på tykkelsesvibrasjon, vil det i foreliggende tilfelle altså dreie seg om radialt rettet polarisering mellom signalelektrodene slik at det oppstår en helt annen svingningsmodus, nemlig.en slik modus hvor punktene på de to endeflater svinger i radial retning, men i motfase. I motsetning til "den innledningsvis beskrevne radialvibrator hvis grunnfrekvens i fbrste rekke er bestemt av diameteren av skiven, resp. diameterne av ringen, er ved filteret ifolge oppfinnelsen grunnfrekvensen i forste

rekke betinget av tykkelsen av ringen resp. skiven, slik at filteret er egnet for betraktelig hoyere frekvenser. Ulempen ved én tykkel-sesvibras jon, som også er egnet for hoyere frekvenser er det store antall uharmoniske mekaniske svingninger som minskes i betraktelig grad ved filteret ifolge oppfinnelsen. Dessuten er filteret ifolge oppfinnelsen særlig egnet ved ytterligere forholdsregler mere og og mindre å undertrykke uharmoniske svingninger.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere under henvisning til tegningen. Fig. 1 viser skjematisk et utforelseseksempel på et elektromekanisk filter ifolge oppfinnelsen. Fig. 2 viser et vibrasjonsmonster i overdrevet form av filterlegemet på fig. 1. Fig. 3 viser en mellomfase for bearbeidelse av filterlegemet på fig. 1. Fig. 1 viser et sideriss av et piezoelektrisk legeme i form av en flat sirkelformet skive hvis endeflater 1 og 2 er forsynt med ringformede signalelektroder 3 og 4- Signalelektrodene 3 og 4 er forbundet med en elektrisk svingningskilde 5 me& en indre impedans 6, idet det mellom elektrodene 3°g 4 kan måles en elektrisk impedansresonans som tilsvarer de mekaniske egenresonanser i det piezoelektriske legeme. På denne måte kan det oppnås en filtervirk-ning, dvs. enten gjennomslipning eller undertrykning av frekvenser ved hjelp av signalkilden 5. Legemet kan også forsynes med ekstra elektroder på de flate endesider, hvorved det utnyttes det fenomen at signalkilden 5 som folge av elektromekanisk kopling via elektrodene 3 og 4 frembringer mekaniske svingninger i det piezoelektroske legeme som igjen forer til en elektrisk spenning på disse ekstra elektroder, slik at det ved hjelp av elektrodene 3°g 4°S ikke viste ekstra elektroder kan dannes en overforingsfirepol.

Ifolge oppfinnelsen hersker det i det minste mellom signalelektrodene 3°g 4 en remanent polarisering P i det piezoelektriske legeme. Denne polarisering P er radialt rettet og i det viste tilfelle i ethvert punkt i det piezoelektriske legeme rettet fra aksen 7- Som kjent har mange titanater, zirkonater, niobater og lig-nende av f.eks. jordalkalimetaller, slik som bariumtitanat, barium-strontiumtitanat, blytitanatzirkonat, osv. den egenskap at etterat de har vært påtrykket i noen tid en hoy elektrisk spenning vil det i materialet forbli en remanent elektrisk polarisering som i samvirke med det felt som dannes ved påtrykning av en elektrisk spenning på en av signalelektrodene, medforer mekaniske formendringer i materialet som beror på piezoelektriske egenskaper i dette. Da det elektriske vekselfelt i elektrodene 3°g 4 forloper parallelt med aksen 7 i det piezoelektriske legeme og derfor vinkelrett på polariseringen P, vil det i dette legeme opptre en formendring som i overdrevet form og for et bestemt oyeblikk er vist på fig. 2.

På fig. 2 er valgt det oyeblikk.i hvilket samtlige

punkter på flaten 1 var beveget mot aksen 7 og samtlige punkter på flaten 2 var beveget fra aksen 7* Punktene på flaten 1 svinget derfor i radial retning og i samme fase og punktene på flaten 2 svinger likeledes i radial retning på samme fase, men i motsatt fase til punktene på fig. 1. Grunnfrekvensen av den mekaniske svingning vil derfor i forste rekke være betinget av tykkelsen d av det piezoelektriske legeme, slik at filteret er egnet for anvendelse ved hoyere frekvenser, f.eks. noen MHz. I motsetning til de kjente tykkelsesvibratorer viste det seg imidlertid at filteret ifolge oppfinnelsen oppviser betraktelig mindre uharmoniske svingninger. Denne kjensgjerning kan fores tilbake til den kjensgjerning som ligger til grunn for oppfinnelsen, nemlig at en tykkelsesvibrasjon på grunn av Poisson-kontraksjon alltid, også kan kombineres med en radialvibrasjon. Denne radialvibrasjon forplanter seg mot legemets ytre mantel-flate, slik at et stort antall svingningsmodi som er avhengig av den ytre diameter er mulige, og kan fremheves særskilt hvis materialet (keramisk) i det piezoelektriske legeme har uregelmessigheter som inhomogeniteter eller luftblærer. Ved filteret ifolge oppfinnelsen vibrerer punktene i legemet i radial retning, hvorved imidlertid den ytre diameter bare får meget liten innvirkning på resonansfrekvensen og på antall mulige svingningsmodi, på den ene side fordi lokale

uregelmessigheter neppe kan forstyrre den radiale symmetri av sving-ningene, og på den annen side fordi vibrasjonene på endeflatene er i motfase med vibrasjonene på sylinderflaten, hvilket forårsaker at et antall av de mulige svingningsmodi ved tykkelsesvibrasjonen faller bort.

De nevnte uharmoniske svingninger kan dessuten undertrykkes betraktelig ved noen kunstgrep. I forste rekke kan det ved riktig valg av tykkelsen av elektrodene 3 og 4 tilveiebringes en begunstigelse av grunnfrekvensen på bekostning av samtlige uharmoniske svingninger i det piezoelektriske legeme. Dertil kan flere konsentriske ringformede elektroder anbringes på det. Ved et piezoelektrisk legeme av blytitanatzirkonat med en tykkelse på ca. 120 yu viste det seg at denne effekt f.eks. med pådampede gullelektroder 3 og 4 kan gis en tykkelse på mindre enn 1 yu. Det viste seg da at den ytre diameter DQ(f.eks. 6mm) hadde liten innvirkning på grunnfrekvensen resp. på de uharmoniske svingninger. En nedslipning av den ytre diameter f.eks. til 5 ^ medforer f.eks. en okning av grunnfrekvensen på bare 1 %. En slik bearbeidelse kan benyttes for trimmingsformål.

Videre kan det ved egnet valg av den indre diameter D^av elektrodene 3 og/eller 4, oppnås at de forstyrrende uharmoniske svingninger undertrykkes enda sterkere. For Di velges fortrinnsvis en verdi på mellom 0,3 og 0,5 ganger den ytre diameter D . I dette tilfelle kan de nær opptil grunnfrekvensen liggende uharmoniske svingninger undertrykkes. Det skal imidlertid bemerkes at det er likegyldig om den ene eller begge signalelektroder 3°g 4 tilfreds-stiller de stilte betingelser, fordi det elektriske vekselfelt prak-tisk talt ikke strekker seg ut over området mellom de to signalelektroder. Hvis onskelig kan man også (f.eks. for den ovenfor nevnte fremhevning av grunnsvingningen på bekostning av de uharmoniske oversvingninger ved egnet valg av tykkelsen av elektrodene 3°S 4)

la elektrodene 3°g 4 dekke hele endeflatene 1 og 2, men det må da sorges for at det i det piezoelektriske legeme innenfor en sylinder med en diameter D^ ikke hersker noen radial polarisering. I dette tilfelle tar den midtre del av det piezoelektriske legeme ikke del i den elektromekaniske omformning. Man kunne derfor eventuelt også gå ut fra et ringformet piezoelektrisk legeme. Ved sliping av den indre diameter kan man oke grunnfrekvensen, f.eks. for trimmingsformål.

Videre kan man eventuelt også anvende andre vanlige forholdsregler for undertrykking av uonskede harmoniske svingninger. Således er det f.eks. kjent på noen steder av vibrasjonslegemet å anbringe et akustisk dempende materiale f.eks. epoksyharpiks. I foreliggende tilfelle kan det f.eks. på sylinderflaten av det piezoelektriske legeme anbringes dempningsmateriale.

For oppnåelse av den onskede radiale polarisering kan man naturligvis gå ut fra et ringformet piezoelektrisk legeme, hvor det mellom den indre og ytre sylinderflate påtrykkes et elektrisk felt i lopet av en foreskrevet tid. Polariseringen kan også skje ved at man går ut fra et betraktelig tykkere piezoelektrisk legeme enn det som sluttelig er onsket, som f.eks. vist på fig. 3>°g dette legeme blir på endeflatene forsynt med to sirkelformede elektroder 8 og 9 og på den ytre sylinderflate med en elektrode 10. Polarise ringen P kan da oppnås ved at elektrodene 8 og 9 forbindes elektrisk med hverandre og elektroden 10 påtrykkes en hoy spenning i forhold til elektrodene 8 og 9- Sluttelig kan så endeflatene av legemet ned-slipes slik at den onskede tykkelse oppnås med en mere eller mindre homogen radial polarisering P i den onskede del av legemet.

Claims (2)

1. Elektromekanisk filter med et polariserende piezoelektrisk legeme i form av en flat, sirkelformet ring eller skive, hvis flatsider er forsynt med signalelektroder,karakterisertved at legemets materiale i det minste mellom de overfor hverandre

liggende signalelektroder har remanent polarisering i radial retning, hvorved den av signalspenningen på signalelektrodene frembrakte elektriske svingning er rettet hovedsakelig vinkelrett på polariseringen.

2. Filter ifolge krav 1,karakterisert vedat

den indre diameter av i det minste den ene signalelektrode og/eller den indre diameter hvor den radiale, remanente polarisering begynner, ligger mellom 0,3 og 0,5 ganger den ytre diameter.

3« Filter ifolge krav 1 eller 2,karakterisertved at tykkelsen av signalelektrodene er valgt slik at det oppnås en begunstigelse av den mekaniske grunnsvingning i forhold til uharmoniske svingninger i det piezoelektriske legeme.