DE1591330A1

DE1591330A1 - Keramischer Resonator

Info

Publication number: DE1591330A1
Application number: DE19671591330
Authority: DE
Inventors: Takehiro Futami; Kuniichi Nagata; Isao Saito
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1966-09-30
Filing date: 1967-08-30
Publication date: 1972-02-24
Also published as: US3531742A; DE1591330B2; GB1186410A

Description

Anmelder: Stuttgart, den 23„ August 1967

¹ ρ 2028 /51

Nippon Electric Company Limited

7-15, Shiba Gochome, Minato-ku Tokio/Japan

Vertreter:

Patentanwalt Dipl.-Ing. Max Bunke 7 Stuttgart Schloßstraße 73 B

Keramischer Resonator

Die Erfindung betrifft einen keramischen Resonator mit einem quaderförmigen Resonanzkörper aus einem Stoff mit großem piezoelektrischem Effekt. Der Resonator nutzt den piezoelektrischen Longitudinaleffekt aus und soll eine niedrige Resonanzfrequenz sowie eine breite Resonanzkurve aufweisen·

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Die relative Bandbreite (das Verhältnis der Bandbreite zur Mittelfrequenz des Durchlaßbandes) eines keramischen Filters ohne Verwendung einer induktiven Spule hängt im wesentlichen von dem Kapazität sverhältnis des benutzten keramischen Resonators ab. (Bekanntlich ist das Kapazitätsverhältnis das Verhältnis der Parallel kapazität zu der Reihenkapazität in dem Ersatzschaltbild des Resonators). Infolgedessen benötigt man für ein keramisches, breitbandiges Niederfrequenzfilter einen keramischen Resonator mit einem kleinen Kapazitätsverhältnis·

Bekannte keramische Resonatoren für diese Verwendung besitzen einen rechteckförmigen Resonator mit Bimorphaufbau z. B. nach Fig. 1. Diese Resonatoren arbeiten bekanntlich unter Ausnfczung des piezoelektrischen Transversaleffekts. Das Kapazitätsverhältnis ist infolgedessen vergleichsweise groß. Deshalb bereitet der Aufbau eines breitbandigen keramischen Filters Schwierigkeiten.

Aufgabe der Erfiung ist die Schaffung eines keramischen Resonators, der zur Verwendung in einem keramischen Niederfrequenz-Breitbandfilter geeignet ist.

Hierfür schlägt die Erfindung vor, daß jeweils auf einandergegenüberliegenden Seitenflächen des Resonators zwei Reihen rechteckiger, TJ-förmiger, dünner Elektrodenhäute in bestimmtem Abstand zueinander und jeweils senkrecht zur Längsachse des Resonators ausgerichtet angeordnet sind, wobei die elektrische Anregung der Elektrodenhäute im Sinne der Erzeugung des piezoelektrischen Longitudinaleffekte und einer Biegeschwingung des Resonators erfolgt.

Bevorzugte Ausbildungen der Erfindung sind in den Untermnsprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung erläutert.

Fig· 1 zeigt einen herkömmlichen keramischen Resonator in perspektivischer Ansicht,

Fig. 2 zeigt eine ähnliche Ansicht eines keramischen Resonators nach der Erfindung und

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Fig. 3 eine entsprechende Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung,

Ein keramischer Resonator der in Fig. 1 dargestellten Bauart ist in "Journal of the Institute of the Electrical Communication En-

beschrieben. gineers of Japan", Bd. 37, No. 11, S. 38,/Danach sind zwei Paare von Elektrodenhäuten 2, 2¹ 3 und 3' jeweils in Längsrichtung auf die Seitenflächen des Resonators 1 aufgebracht. Breite und Länge jeder Elektrode betragen etwa ein Drittel der Breite und etwa 60% der Länge des Resonators 1. Dieser Resonator arbeitet unter Ausnutzung des piezoelektrischen Transversaleffekts. Nach dem obengenannten Aufsatz kann das Kapazitätsverhältnis dieses Resonators herabgesetzt werden, wenn man den Transversaleffekt in Längsrichtung ausnutzt. Doch auch wenn der Resonator mit einem Blei-Titanat-Zirkonat-Element aufgebaut ist, kann das Kapazitätsverhältnis nicht unter einen Wert von 13 und die relative Bandbreite nicht über einen Wert von 10 % verbessert werden.

Unter Ausnutzung des piezoelektrischen Longitudinaleffekts an Stelle des Transversaleffekts erhält man einen keramischen Resonator mit kleinerem Kapazitätsverhältnis nach 3?ig. 2. Danach sind innerhalb eines Resonators 11 mehrere Ausnehmungen 12 mit etwa gleichem gegenseitigem Abstand längs der Längsachse des Resonators 11 angeordnet. In diese Ausnehmungen 12 sind jeweils Elektrodenhäute 13 und 1.3' getrennt voneinander eingelegt, so daß man längs der Achse gleiche Längenabschnitte erhält. Infolge dieser Ausnehmungen 12 kann eine genügend hohe Polungsspannung an den Resonator während des Polungsverfahrens angelegt werden. Auch die Streukapazitäten lassen sich verringern. Infolge der Ausnutzung des piezoelektrischen Longitudinaleffekts erzielt man einen keramischen Resonator mit einem kleineren Kapazitätsverhältnis als der herkömmliche Resonator auf der Grundlage des Transversaleffekte. Bei diesem Resonator müssen jedoch die Ausnehmungen durch eine Ultraschallschneidmaschine ausgeschnitten werden; die mechanische Kopplung wird dadurch verschlechtert und die Ausnehmungen beeinflussen das Kapazitätsverhältnis ungünstig, da sie auf der Längsachse liegen, wo ein bedeutender Anteil der mechanischen Koppelschwingungen auftritt. Deshalb bringt dieser Resonator keine be-

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friedigende Verkleinerung des Kapazitätsverhältnisses mit sich.

Die Ausführungsform nach. Pig· 3 stellt eine weitere Verbesserung dar, wo zwei Reihen rechteckförmiger, U-förmiger Elektrodenhäute 24 und 24' jeweils auf die Seitenfläche 22 des quaderförmigen Resonators 21 In gleichen gegenseitigen Abständen aufgebracht sind. Jede Elektrode 24 und 24' erstreckt sich senkrecht zur Längsachse etwa über ein Drittel der Breite des Resonators. Die Plätze der Elektroden auf der Oberkante 25 stimmen mit denjenigen an der Unterkante 23' überein. Da die Elektroden nicht über das Mittelfeld 25 reichen und da die Stellungen der Elektroden der beiden Reihen 24 und 24· in Längsrichtung miteinander übereinstimmen, ergibt sich eine Symmetrie bezüglich der Längsachse« Die Polung des Resonators erfolgt so, daß die durch die Elektroden abgegrenzten Bereiche jeweils abwechselnd in positiver und negativer Richtung gepolt werden. Im Betrieb liegt das Anregungssignal so an den Elektroden an, daß eine Elektrodenreihe mit entgegengesetzter Polarität zu. der Polung betrieben wird» In Fig. 3 geben die gestrichelt eingezeichneten Pfeile die Polungsrichtung und die ausgezogenen Pfeile die gegenseitige Phasenbeziehung des elektrischen Anregungsfeldes an. Innerhalb der Reihe 24 stimmt die Polungsrichtung mit der Polarität des elektrischen Anregungsfeldes innerhalb des Elektrodenfeldes überein, so daß jeder Abschnitt in Längsrichtung gedehnt wird. Innerhalb der Reihe 24* ist hingegen die Polungsrichtung der Polarität des elektrischen Anregungsfeldes entgegengerichtet, so daß jeder Abschnitt zusammengezogen wird. Die lokalen Dehnungen und Zusammenziehungen in Abhängigkeit von dem Anregungsfeld bedingen zusammen mit der mechanischen Kopplung innerhalb des Mittelfeldes 25 eine Biegeschwingung senkrecht zur Achse des Resonators innerhalb der durch die größte Oberfläche des Resonators gehenden Ebene·

Versuche haben ergeben, daß zur Verbesserung des Kapazitätsverhältnisses das durch die Elektrodenreihen 24 und 24' aufgespannte Anregungsfeld des Resonators nach der Erfindung gleich groß wie das entsprechende Anregungsfeld bei dem herkömmlichen Transversaleffekt-Resonator sein soll. Im einzelnen erweist sich für die rechteckigen, U-förmigen Elektroden in Richtung senkrecht zur

Längsachse eine Länge von einem Drittel der Breite des Resonatorelements als vorteilhaft. Die axiale Länge des Anregungsfeldes soll etwa 60 % der Gesamtlänge des Resonators betragen. Die Abmessungen und gegenseitigen Abstände der Elektroden werden unter Berücksichtigung der Streukapazität zwischen den Elektrodenreihen festgelegt. Auf Grund von Versuchen ergibt sich eine Breite der Elektroden von der Hälfte bis zur vollen Dicke des Resonators als vorteilhaft; der gegenseitige Abstand zwischen den Elektroden soll mindestens doppelt so groß wie die genannte Dicke sein; und der Querabstand zwischen den Elektrodenreihen soll mindestens doppelt so groß wie der gegenseitige Abstand zwischen benachbarten Elektroden sein, damit die Verkleinerung des Kapazitätsverhältnisses nicht in ungünstiger Weise beeinflußt wird. Außerdem soll der Resonator so dünn wie möglich sein, damit man einen Resonator mit kleinem Kapazitätsverhältnis erhält.

Nach durchgeführten Versuchsreihen ist die Resonanzfrequenz des Resonators nach der Erfindung etwa der Breite proportional und umgekehrt proportional der 2. Potenz der Länge. Das Kapazitätsverhältnis ist merklich kleiner als bei einem herkömmlichen Transversaleffekt-Resonator, da der piezoelektrische Longitudinaleffekt ausgewertet wird. Da die mechanische Kopplung innerhalb des Mittelfelds bei der Ausführungsform nach Fig. 3 groß ist, ergibt sich ein noch kleineres Kapazitätsverhältnis als bei der Ausführimgsform nach Fig. 2. Das Kapazitätsverhältnis des keramischen Resonators aus Blei-fTitanat-Zirkonat nach Fig. 3 beträgt z. B. 5,4 bei einer Länge··von 28mm, einer Breite von 12mm und einer Dicke von 0,5mm; Breite und Länge der Elektroden betragen jeweils 0,5mm und 4mm (ein Drittel der Breite des Resonators); der gegenseitige Abstand zwischen den Elektroden innerhalb jeder Reihe beträgt 2mm \ und das Anregungsfeld erstreckt sich in Längsrichtung des Resonators über 60 % der Gesamtlänge. Zum Vergleich besitzt ein Resonator entsprechender Größe bei einem Aufbau nach Fig. 1 ein Kapazitätsverhältnis von 13 und bei einem Aufbau nach Fig. 2 ein Kapazitätsverhältnis 7· Infolgedessen bringt die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 3 eine erhebliche Verbesserung durch die genannte Verringerung des Kapazitätsverhältnisses.

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Claims

Patentansprüche

1. Keramischer Resonator mit einem quaderförmigen Hesonanzkorper aus einem Stoff mit großem piezoelektrischem Effekt, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils auf einandergegenüberliegenden Seitenflächen (22) des Resonators (21) zwei Seihen rechteckiger, U-förmiger, dünner Elektrodenhäute (24,24*) in bestimmtem Abstand zueinander und jeweils senkrecht zur Längsachse des Resonators ausgerichtet angeordnet sind, wobei die elektrische Anregung der Elektrodenhäute im Sinne der Erzeugung des piezoelektrischen Longitudinaleffekts und einer Biegeschwingung des Resonators erfolgt,

2· Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge jeder Elektrodenhaut (24,24*) etwa ein Drittel der Breite des Resonators (21) ausmacht.

3· Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das von den Elektrodenhäuten bedeckte Anregungsfeld etwa 60 % der Gesamtlänge des Resonators (21) ausmacht.

4. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Breite jeder Elektrodenhaut zwischen der Hälfte und dem vollen Betrag der Dicke des Resonators liegt.

5. Resonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige axiale Abstand benachbarter Elektroden mehr als das Doppelte der Breite einer Elektrodenhaut beträgt.

6. Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 51 dadurch gekennzeichnet, daß der Querabstand zwischen den Anregungsfeldern der beiden Elektrodenreihen mindestens das Doppelte des Längsabstandes zwischen jeweils benachbarten Elekfcrodenhäuten ausmacht.

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