DE2035585A1 - Piezoelektrischer Dickenschwinger - Google Patents

Description

Λ'- -^ι-ί-ϊΓ:;!.';.::,· J·G¹LCEiLAi^tNFABRIEKEN PHH.

Akia. _pHft_ 4233 Ve/RV.

Anmeldung vom: /-jg.. _Juli 1970 ,

Piezoelektrischer Dickenschwinger.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Biokenschwinger aus piezoelektrischem Material mit einem elektromechanischen Kopplungekoeffizienten K> O₍ 15 in Fons eines scheibenförmigen Körpers, dessen Stirnflächen mit Anstosselektroden versehen sind·

Derartige Schwinger werden vielfach zum Filtern elektrischer " Signale verwendet«

Unter "Dickenschwinger" ist hier zu verstehen, dass die Dickenabmessung - somit die kürzeste Abmessung - des scheibenförmigen Körpers im wesentlichen die Resonanzfrequenzen der mechanischen Schwingungen bestimmt. Dabei kann der scheibenförmige Körper übrigens eine kreisförmig«, ringförmige oder rechteckige Gestalt aufweisen. Ferner sind unterschiedliche Schwingungemodi möglich, die an Hand der Figurbeschreibung nSher erlSutert werden» und zwar Diokenschermodus (thickness-

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shear mode) mit etwaigen Torsionscharakter (thickness twist mode), Dickendilatationemodus (thickness extension or compression mode) und Dicken-Radialschermodus (thickness radial shear mode). Für Jeden dieser Schwingungsmodi soll ein zugehöriger Wert des elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K (der als die Quadratswurzel aus dem Verhältnis zwischen der erzeugten mechanischen Schwingungsenergie und der Über die Anstoseelektroden zugeführten elektrischen Schwingungeenergie) berücksichtigt werden, während ferner noch ein Faktor A zu berücksichtigen ist, dessen Bedeutung aus Nachstehendem hervorgeht. Die Massnahme nach der Erfindung kann bei jedem Dickenschwinger, der in einem dieser genannten Schwingungsmodi betrieben wird, vorteilhaft angewendet werden.

Es ist bekannt, dass Dickenschwinger in der Nähe ihrer Resonanz immer eine spezifische Frequenz (die sogenannte Reihenresonanz) aufweisen, wobei die elektrische Impedanz des als Filter geschalteten piezoelektrischen Körpers einen Mindestwert erreicht, und dass derartige Schwinger ausserdem eine hohe spezifische Frequenz (die sogenannte Parallelresonanz) aufweisen, bei der die Impedanz einen Höchstwert erreicht. Auch ist bekannt, dass Dickenschwinger ausser im Grundton auch in vielen unharmonischen ObertSnen (inharmonic overtonesX schwingen kSnnen, was meistens unerwünscht ist.

Der gegenseitige Abstand der Reihen- und Parallelresonanz wird im wesentlichen durch die GrSese des Kopplungekoeffizienten K bestimmt. Bei den bekannten Schwingquarzen ist dieser elektroaeohanische Kopplungskoeffizient klein (K~7.1O~ ) und infolgedessen¹ !uch der Abstand zwischen der Reihen- und der Parallelresonanz klein. FQr eine Anzahl Anwendungen von Dickenschwingern ist dies unerwünschte

Die Erfindung beschränkt sich auf piezoelektrische Mate-

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riallen, vie z.B. Erdalkalititanat, Bleititanat und Bleititanatzirkonat, die durch eine reaanente Polarisation einen hohen elektromechaniechen Koprlungekoeffizienten erhalten (,K >0,15), damit ein gröeserer Abstand zwischen den genannten Resonanzen erzielt wird. Dies bringt aber auoh ungünstige Folgen mit sich. Eine Anzahl der 'inharmonischen ObertBne, die bei wuarz-Dickenschwingern bei einer die Parallelresonanz überschreitenden Frequenz liegen, kommen bei den erwähnten Materialien mit hohem KopplungsKoeffizienten zwischen der Reihen- und Parallelresonanz zu liegen. Lies hat unerwünschte Verzerrungen der Impedanzkennlinie des Dickenschwin- *era zur Folge.

Die Erfindung hat den Zweck, dieae Verzerrung der Impedanzkennlinie zu vermeiden, indem unharmonische ObertBne unterdrückt werden*

Bei den bisher in der Literatur beschrieben·!) Verfahren zur Unterdrückung unerwünschter Unharmonischer bei Dickenschwingern handelte es sich stets um Dickenschwinger, deren piezoelektrischer KSrper einen kleinen Kopplungskoeffizienten K aufweist, wie tickenschwinger, bei denen ale piezoelektrisches Material Quarz verwendet wird. Die Unterdrückung aer Unharmonischen wird dabei durch passende Wahl der Elektrodenabmessun- | gen und - Masse in bezug auf die Abmessungen des piezoelektrischen Körpers erreicht. Diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch das Anbringen einer zusatzlichen Masse auf den Elektroden eine derart grosse Verstimmung des innerhalb der Elektroden (des Innengebietes) liegenden Teiles des piezoelektrischen Körpers in bezug auf den ausserhalb der Elektroden (des Aussengebietee) liegenden Teil auftreten kann, dass ein selektiver Energieeinfang für den Grundton erhalten wird, wlhrend dieser Energieeinfang für die unharmonischen ObertSne nicht auftritt. Entscheidend für diesen Energieeinfang ist die Grenzfrequenz f des Auesengebietee.

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Diese Qrenzfrequenz f ist meistens die Resonanzfrequenz des Grundtonee einer Dickenschwingung dieses Aussengebietes, wobei angenommen wird, dass dieses Gebiet unendlich ausgedehnt ist. Der selektive Energieeinfang ist auf die Erscheinung zurückzuführen,,dass Resonanzen mit einer Frequenz niedriger als f dadurch verstärkt werden, dass di® Energie dieser Resonanzen zwischen den Elektroden dauernd eingefangen wird, während Resonanzen

höher als f geschwächt werden, weil die zu diesen Resonanzen gehörige c

Energie nicht mehr zwischen den Elektroden eingefangen ist» Für diesen Energieeinfang ist es wichtig, dass die Randeffekte am Auaeenumf&ng des Schwingers nicht eine derartige Rolle spielen, dass die linearem Abmessungen de· Ausaengebietee mindesten· gleich denen des Inra«agefoi®t©8 sein müssen. Die Verstimmung zwischen dem Innen- und Au®βengebiet wird aeistene derart gewählt, dass f zwischen des Grundton und dea ersten unharmonischen Oberton des Innengebietes liegt« Sie Verstimmung swisohen des Innen» und Aussengebiet kann z.B. dadurch erzielt werden, dass auf ©iaan Ifcper alt übrigens völlig flachen und planparallel -verlaufenden Stt?a£ll@fa©n dünne Elektroden mit einer derartigen ßesaataasee aufgeSaspft VoMQa₉ dass f in die gewünschte obenbeschrieben® Lage gelangt0 Zua Erhalten ©la®θ genügenden Energieeinfange ist diese Verstimmung in der Regel aah©»« gleich

Bisher wurde in der Literatur der Tatsache ma wenig Aufmerksamkeit gewidmet, dass eine mechanische
Stelle, wo sich kein Elektrodenmaterial befindet„ Feld als zwischen den Elektroden hervorruft,- was bereits Δ P zur Folge hat. Theoretieeh Hast sieh abloiifcotip dasQ fte ©la© S@h®:äU be mit grossen Abmessungen in bezug auf die Dicks dies© Δ ohne dass weitere Vorkehrungen getroffen werden₉ gleiefe^s-1 ₀

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zu gleich £ K ist, wobei K wieder den obenerwähnten elektromechanischen Kopplungskoeffizienten darstellt, während auch für Körper mit geringeren Abmessungen eine nur wenig abweichende Verstimmung gefunden wird.

FQr Materialien mit eines sehr kleinen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten K, wie Quarz, ist diese Verstimmung Δ P gewöhnlich vernacblässigbar. Für Materialien mit einem grossen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten ist diese Verstimmung Δ ρ schon bald grosser als die Verstimmung, die durch das Anbringen einer zusätzlichen Masse auf den Elektroden erreicht werden kann. Bei einem Material Bit einem Kopplungskoeffizienten K - 0,2 beträgt diese Verstimmung schon ~·ϊ,7 # und bei K - 0,5 schon 20 %

Es stellt sich heraus, dass bei Dickenschwingern mit einem grossen elektromechanischen Kopplungskoeffizienten die Grenzfrequenz f grosser als die Parallelresonanz des Grundtones des Innengebietes ist, aber in der unmittelbaren Nähe dieser Parallelresonanz liegt. Wie bereits erwähnt wurde, liegen die unharmonischen übertöne aber zwischen der Reihen- und Parallelresonanz, so dass bisher eine Unterdrückung dieser Unharmonischen unmöglich war*

Von Onoe und Jumonji (Elektronics and Communication in Japan) wird für Dickenschwinger aus einem Material mit grossem Kopplungskoeffizienten ein Verfahren zur Unterdrückung unerwünschter Unharmonischer beschrieben. Zu diesem Zweck muss das Verhältnis zwischen der Grosse der Elektroden und der Dicke des schwingenden Körpers bestimmte Bedingungen erfüllen, während ein genau vorzuschreibender Wert der Masse dieser Elektroden eingehalten werden muss. In ihrer theoretischen Betrachtung vernachlässigen sie aber den Einfluss dee Kopplungekoeffizienten. Ausserdem bezieht «ich ihre Betrachtung nur auf Dickenschwinger, die in dem Dicken-

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schermodus angestossen werden»

Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,dass di»- grSsste Abmessung D der in der Dickenrichtung des Schwingers einander gegenüber liegenden Oberflächen O der Elektroden der Beziehung D < d jt entspricht, wobei d die Dicke des scheibenförmigen Körpers, K den elektromechanischen KopplungekoeffiEienten und Ä eine Konstante darstellt, welche fUr die unterschiedlichen Schwingungsmodi die folgenden Werte aufweist!

- für den Dickenschermodus - gegebenenfalls mit Torsionscharakter-

- für den Dickendilatationsmodus A => 4

- für den Dickenradlalschermodus A ■ 30,

und dass der Abstand jedes Punktes des TJmfangs der Oberflächen von Rand des Schwingers mindestens gleich der Abmessung der Oberflächen in der Richtung ist, in der dieser Abstand gemessen ist.

Theoretisch könnten, wenn von bestimmten Abmessungen der Elektroden ausgegangen wird, die Grosse und die Richtung der Polarisation auch derart gewählt werden, dass der elektromechanische Kopplungskoeffizient einen derartigen Wert aufweist, dass die gestellte Bedingung D < d £ erfüllt wird. In der Praxis ist es selbstverständlich günstiger, wenn die Grosse der Elektroden angepasst wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Abstand zwischen der Reihenresonanz und den unharmonischen Obertönen auch durch die grSsste Abmessung der Elektroden in bezug auf die Dicke dee piezoelektrischen Körpers und den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten bestimmt wird, wie in der Figurbeschreibung nSher erlSutert wird. Indem die griJsste Abmessung: der Elektroden nach der Erfindung gewählt wird, wird erreicht, dass die unharmonischen Ob@rtb*n@ bei hSheren Fre-

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quenzen, und zwar oberhalo der Parallelreaonanz und somit oberhalb der Grenzfrequenz f liegen. Dadurch tritt für diese unharmonischen Obertöne kein Energieeinfang mehr auf, wodurch das durch die Erfindung angestrebte Krgebnis., dass alle unharmonischen Obertöne unterdrückt werden, erzielt wird. Dabei kann also sowohl von kreisförmigen, ringförmigen als auch vor rechteckigen Klektroaen ausgegangen werden. Im ersten und im zweiten Fäll ist der Durchmesser und im dritten Fall ist die grösste Seite die bestimmende orHsst?, die die gestellte Bedingung erfüllen muss.

Aus der für die Abmessungen der Elektroden gestellten Bedingung folgt, dass diese Abmessungen im allgemeinen besonder* klein sein müssen. lemzufolge ist die Einstellung der beiden Elektroden besonders , kritisch, was Schwierigkeiten bereiten wird. Es ist nämlich bekannt, dass lediglich die wirksame ElektrodenoberflSche, d.h. die in der Dickenrichtung des Schwingers einander gegenüber liegenden Oberfllchen O dar Elektroden, die wirksame Elektrodenoberfliehe uiidet. Ein kleiner Einstellungsfehler einer der Elektroden ergibt zugleich einen Fehler in der wirksamen ElektrodenoberflSche. Eine gegenseitige Verschiebung der beiden Anstosselektroden führt ausserdem grosse Aenderungen der Kapazitlt zwischen den Elektroden herbei. Diese Kapazität übt einen starken Einfluss auf die '

Selbstinduktion dies äquivalenten elektrischen Schaltbildes aus. Schliesslich führt eine gegenseitige Verschiebung der Elektroden unerwünschte Verzerrungen der Impedanzkennlinie herbei.

Auch ist es bekannt, dass es bei Dickenschwingern is allgemeinen unerwünscht ist, den elektrischen Kontakt mit den Elektroden durch Klemmittel herzustellen, weil sich dann eine unerwünschte Dämpfung des Schwingers ergeben kann· Daher werden hSufig die Elektroden mit eines schmalen Arm in Richtung auf die Seite des schwingenden Körpers erweitert,

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wo dann durch L8ten oder Kitten ein Kontakt hergestellt werden kann. Dieses Verfahren hat im obenstehenden Fall den Nachteil, dass» im Zusammenhang mit den geringen Abmessungen der Elektroden, auch diese Arme besonders schmal sein müasen, wodurch ihr elektrischer Widerstand gross ist, was eine unzulässige elektrische Dämpfung des Dickenschwingers zur Folge hat.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden diese erwähnten Schwierigkeiten dadurch vermieden, dass nur eine der beiden Elektroden die vorerwähnte Bedingung erfüllt, während die zweite Elektrode erheblich grosser ist und in einem extremen Fall© sogar die ganze Oberfläche in Anspruch nimmt. Die wirksame Elektrodenoberfläche wird dabei also durch die kleinste Elektrode bestimmt, so dass die unharmonischen ObertSne noch immer unterdrückt werden, weil dies« kleinste Elektrode die nach der Erfindung gestellte Bedingung erfüllt.

Liese Bauart hat vor allem den Vorteil, dass die Einstellung der Elektroden nicht mehr kritiech ist. Bei Verschiebung der Elektroden bleibt ja die wirksame ElektrodenoberflEche gleiche Bei einer Verschiebung der Elektroden ändert sich auch die Kapazitlt zwischen den beiden Elektroden nahezu nicht. Infolgedessen kann eine sehr kleine-Toleranz in bezug auf die äquivalente Selbstinduktion dee Dickenschvingere nach dem elektrischen Aequivalentschaltbild erhalten werden,»

Auch die Abgleichung dieses Dickenschwiage^s auf die gewünschte Resonanzfrequenz kann dank der erwihnten Bauart auf ©infashe Weise stattfinden. Meistens erfolgt dies© Abgleiehung dwffch des Anbriagon· einer zusätzlichen Menge Elektrodenmaterial auf einer oi©2? d©a b©id©n Elektroden, z.B. durch elektrochemisches Anwachsen odeE· AafdaEpf©m_o Bei Dickenechwingern mit gleichen Elektroden auf den beiden dieses Aufwachsen mit grosser Genauigkeit über die ganz©

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fläche stattfinden. Auch soll dieses Aufwachsen dann nicht teilweise ausserhalb der ursprünglichen Elektroden erfolgen, weil dadurch unerwünschte Resonanzen und Kapazitätsänderungen herbeigeführt werden. Wenn eine der Elektroden erheblich grosser als die andere ist, kann dieses zusätzliche Elektrodenmaterial vorteilhaft auf der grössten Elektrode angebracht werden. Dabei braucht das Aufdampfen nicht über die ganze Elektrodenfläche, sondern nur wenigstens der kleinsten Elektrode gegenüber zu erfolgen, so dass Toleranzen zulässig sind. Ausserdem stellt sich | heraus, dass dieses Nachabgleichen der grossten Elektrode keine unerwünschten Resonanzen herbeiführt.

Bei Dickenschwingern, die im Dickendilatationsmodus schwingen! ergibt sich infolge der erwähnten Bauart noch ein zusätzlicher Vorteil. Bei derartigen Schwingern ist es meistens erwünscht, dass der ganze Korper vorpolarisiert wird. Zu diesem Zweck werden die beiden Stirnflächen völlig mit Elektroden versehen, zwischen denen eine grosse Gleichspannung angelegt wird. Nach der Vorpolarisation werden diese Elektroden entfernt und werden Elektroden der gewünschten GrSsse angebracht. Bei der erwähnten Bauart eines Schwingers nach der Erfindung kann aber eine der zur Polarisation verwendeten Elektroden ohne Nachbearbeitung zugleich als Anstosselektrode verwendet werden.

Schliesslich weist diese Bauart noch den Vorteil auf, dass auf der grossen Elektrode ein durch Klemm-Mittel angebrachter Kontakt keine mechanische Dämpfung herbeiführt. Diese Elektrode kann eich ja bis nahe an den Rand des Schwingers erstrecken, so dass die Klemm-Mittel dort ohne weitere Anpassung angebracht werden können. Ausserdem stellt sich heraus, dass die Klemra-Mittel auf der kleinen Elektrode in bezug auf die der grossen Elektrode derart angeordnet werden können, dass auch dieser

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Klemmkontakt keine zusätzliche mechanische Dämpfung herbeiführt.

Es sind noch mehrere Elektrodenformen möglich» bei denen die Erfindung angewandt werden kann, z.B, Kreuzelektroden, wie sie in den figuren naher beschrieben werden.

Einige Ausführungsbeispiele nach der Erfindung Bind in der Zeichnung dargestellt und werden ia folgenden naher beschrieben. Es zeigern

Figuren 1a und 1b einen Dickenschwinger, der im Dickenüilatationsmodue angestossen wird.

Figuren 2a und 2b einen Biekenschwinger, der im Dickenradialschermodue angestossen wird, und

Figuren 3a» 3b und 3c einen Dickenschwinger, der im Dickenschermodus angestossen wird» wobei auch Torsion auftritt; Fig. 4 die Impedanzkennlinie sines Schwingquarzes;

Fig. 5 die Impedanzkennlinie eines Dickenschwingers aus einem Material mit grossein Kopplungskoeffizienten;

Fig. 6 die Impedanzkennlinie eines Dickenschwingers nach der Erfindung;

Fig. 7 einen Dickenschwinger mit gleichen Elektroden auf beiden Stirnflächen, und _v

Fig. 8 einen Dickenschwinger mit ungleichen Elektroden auf beiden Stirnflächen;

Figuren 9a und 9b mögliche Elektrodenklemm-Mittel und Figuren 10 und 11 mögliche Elektrodenkonfigurationen.

Figuren 1-3 zeigen scheibenförmige piezoelektrische Körper 1, auf deren Stirnflächen Anstosselektroden 2 angebracht sind. Figuren 1a und 1b zeigen eine kreisförmige Scheibe, wobei der Körper parallel zur Achse 3 polarisiert ist» Die Elektroden 2 weisen in diesem Fall meis-

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tens auch eine kreis- oder ringförmige Gestalt auf Und liegen meistens Konzentrisch zur Achse 3 der Scheibe 1. Die den Elektroden 2 zugefflhrte Wechselspannung erzeugt in diesem Falle ein elektrischeβ Feld, das abwechselnd parallel und gegensinnig parallel zu dem Polarisationsfeld F steht, so dass der Körper im Dickendilatationsmodus angestossen wird. Die ganze Oberfliehe bewegt sich dabei auivErts und abwlrts in bezug auf die untere Fliehe. Der gleiche Schwingungsmodus 1st bei jeder anderen Gestalt der Oberfliehe der Scheibe aBglich.

Figuren 2a und 2b zeigen eine gleiche Scheibe wie die Fi- * guren 1a und 1b. Die Polarisation P ist nun aber radial gerichtet, wodurch ein Dickenradiifclsoheraodu· erhalten wird, bei de« die ober« Fliehe eine radiale Bewegung gegenphasig «u der unteren Fliehe -»ollführt.

Fig. Ja seigt ein· rechteckig· Scheibe 1 alt den Elektroden 2. Die Polarisation P verlauft parallel iu den StirnflSchen, auf denen die Elektroden angebracht sind, und auch parallel zur Mittellinie SS·.

Fig. 3b zeigt die Schwingung des Körper· «wischen den Elektroden 2. Dabei bewegt sich die obere Fliehe ABCD gegenphasig zu der unteren Fliehe EFGH in der Richtung a; dies ist eine Seherschwingung. Rings * um die Achse t tritt dabei eine Torsionsschwingung auft wobei die Punkte auf der Linie SS* die grSsste Ausweichung aufweisen.

Fig. 3c zeigt einen Schnitt längs der Linie SS¹; dabei wird diese Bewegung veranschaulicht. Ausserhalb der Elektroden ist die Schwingung praktisch vSlliggedSapft.

Fig. 4 zeigt die Frequenzkennlinie der elektrischen Impedanz Z eines Schwingquarzes. Die Kennlinie weist ein erstes Minimum bei der Frequenz f - f . (Reihenresonanz des Grundtones) und ein erstes Maximum bei einer Frequenz f ■ f ₄ (Parallelresonanz des Grundtones) auf. Der

El

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gegenseitige Abstand f .- f . der Reihen- und der Parallelresonanz ist

πι ni

^fm1

gering. Wie aus der Figur ersichtlich ist, liegen die unharmonischen übertöne f ₂, f ,, f usw. bei einer höheren Frequenz als die Parallelresonanz des Grundtones. Wie bereits erwähnt wurde, ist es bei dieser Art von Dickenschwingern möglich, die unharmonischen Übertöne dadurch zu unterdrücken, dass die Abmessungen und di· Gesamtmasse der Elektroden derart gewählt werden, dass eine Verstimmung des ausserhalb der Elektroden liegenden Gebietes in bezug auf das zwischen den Elektroden liegenden Gebiet auftritt, und zwar derart, dass die Grenzfrequenz f zwischen dem Grund-

ton und dem ersten unharmonischen Oberton, z.B. zwischen f , und f _, zu

m ι tic.

liegen kommt. Die zu Frequenzen über f gehörige Energie leckt unter den

Elektroden zu dem Aussengebiet hinweg und die unharmonischen Obertöne, die bei einer Frequenz über f liegen, werden somit unterdrückt.

Fig. 5 zeigt die Frequenzkennlinie der elektrischen Impedanz Z eines Dickenschwingers aus einem Material mit grossem elektromechanischen! Kopplungskoeffizienten. Auch diese Kennlinie weist bei der Reihenresonanz f ein Minimum und bei der Parallelresonanz f _Λ ein Maximum auf. m ml

f f Der gegenseitige Abstand al - n1 ist aber viel grosser als bei Quarz.

^f-1 Infolgedessen liegen eine Anzahl unharmonischen Obertöne zwischen der Reihen- und Parallelresonanz. Wie bereits erwähnt wurde,liegt die Grenzfrequenz f bei dieser Art von Dickenschwingern normalerweise in unaittel-

barer NShe der Parallelresonanz f ..

ml

Es ist bekannt, dass für den gegenseitigen Abstand, d®r . -Reihen- und Parallelresonanz, somit auch annlhermngaweise für das zwischen f und der Reihenresonanz f ., geschrieben werden kaaas

^fc - ^fn1 ^fc - ^fn1 ' * K² _ _ __ _

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wobei K wieder den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten darstellt· Andererseits kann für den gegenseitigen Abstand der Reihenresonanz des Grundtoneβ f ₁ und dem s. unharmonischen Oberton abgeleitet werdenι

^fn. - ^fn1 ^A (»² - P*) C² *² (2)

*n1 JT

Dabei stellt C eine Konstante dar, die von de« betrachteten Modus des Dickenschwingers abh&ngig ist« der mit der ElastizitStakonstant· des Materials zusammenhängt. D stellt die Grosstabuessung der Elektroden dar» d.h. bei kreisförmigen Elektroden den Durchmesser und bei rechteckigen Elektroden die ISngste Kante« wShrend d die Dioke des Schwingers ist· Die Konstanten P und P₁ sind vom Eigenwert der Schwingung abhängig.

S T

Zur Unterdrückung der unharmonischen ObertSne müssen diese bei einer die Grenzfrequenz f überschreitenden Frequenz liegen« so dass gelten muss, dasei

^fc.- ^fn1<^fn2 " ^fn1 <⁵>

Eine Kombination von (1), (2) und (3) ergibt dann*

D< igr d, wobei A für die verschiedenen Schwingungsmodi die folgenden Werte aufweist!

- für den Dickenschermodus« gegebenenfalls mit Torsionscharakter,

_—. . A - 6

- für den Dickendilatationsmodus A - 4

- für den Dicken-Radialschermodus A ■ 30·

Fig· 6 zeigt die Frequenzkennlinie der elektrischen Impedanz eines Dickenschwingers, die die Bedingung nach der Erfindung erfüllt. Die unharmonischen übertöne haben sich bis oberhalb der Grenzfrequenz f verschoben und sind somit unterdrückt.

Fig. 7 zeigt einen Dickenschwinger 1 mit zwei auf beiden

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Stirnflächen identischen Elektroden 2, die, damit die Bedingung nach der Erfindung erfüllt wird, klein sein müssen. So ist z.B. bei einem scheibenförmigen Schwinger mit einer Reiheraresonanz bei einer Frequenz f - f -10,7 MHz die Dicke der Scheibe 203 /^m und der Durchmesser der Elektroden 1,3 mm. Bei einer richtigen Einstellung der Elektroden kann die wirksame Elektrodenoberflache, die durch Projektion der einen Elektrode auf die andere gebildet ist, durch a angegeben werden. Ein Einstellungefehler einer der Elektroden, wie mit 2' bezeichnet ist, führt eine Aenderung der wirksamen Elektrodenoberflach© (b) h©rbei_o Bs ist auch einleuchtend, dasi» die Kapazität zwischen den Elektroden sieh Sndert. Die Einstellung der beiden Elektroden ist somit besondere kritisch und ausserdem muss bei der Abgleichung des Dickenschwingers auf die richtige Frequenz gesichert werden, dass das Aufdampfen über die ganze Elektrodenoberflache erfolgt, aber auf diese OberflBche beschrankt bleibt. Würde das Aufdampfen ausserhalb der ursprünglichen Elektroden erfolgen, so werden KapazitStsänderungen und unerwünschte Verzerrungen der Impedanzkennlinie herbeigeführt.

Fig. θ zeigt einen Dickenschvinger 1 mit gleichfalls auf jeder Stirnfläche einer Elektrode, von denen aber nur eine (2) die Bedingung nach der Erfindung erfüllt, während die zweite Elektrode (12) erheblich grosser ist. Eine gegenseitige Verschiebung der Elektroden führt dabei keine Aenderung der wirksamen Elektrodenoberfläche und der Kapazität herbei, wie aus der Figur deutlich hervorgeht. Das Aufdampfen zusätzlichen Materials zum Abgleichen auf die richtige Frequenz kann vorteilhaft auf die grosso Elektrode stattfinden, wobei nur gesichert werden soll, dass jedenfalls der der kleinsten Elektrode gegenüber liegende Teil der Oberfläche überzogen wird.

Naturgemäss können auch auf demselben piezoelektrischen

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Körper mehrere kleine Elektroden einer einzigen grossen Elektrode gegenüber, mehrere kleine Elektroden mehreren kleinen Elektroden gegenüber oder mehrere kleine Elektroden mehreren grossen Elektroden gegenüber angeordnet werden, wobei dann jede kleine Elektrode gesondert oder eine Anzahl dieser kleinen Elektroden zucaxoen die Bedingung naoh der Erfindung erfüllen. Dabei können die Elektroden wieder kreisförmig, ringförmig, rechteckig oder rautenförmig gestaltet «ein. Indes eine» Satt einander gegenüber liegender Elektroden die Eingang·spannung mgeführt und.eines »weiten Satz einander gegenüber liegender Elektroden die Ausgang«spannung entnom- | men wird, wird ein Vierpol erhalten·

Figuren 9a und 9b «eigen eine Möglichkeit ium Anbringen des elektrischen Kontakts bei eines kreisförmigen Diokenschwinger mit gleichfalls kreisförmigen Elektroden. Fig. 9a ist eine Draufsicht und Fig. 9b

zeigt einen Schnitt längs der Linie R-R der Fig. 9a durch den Schwinger 1 mit der kreisförmigen Elektrode 2, die der Bedingung nach der Erfindung entspricht, und mit der erheblich gröseeren Elektrode 12. Der elektrische Kontakt mit der Elektrode 12 wird durch drei Klemmen ζ gebildet, die miteinander einen Winkel von etwa 120* einschliessen und in der Ntthe des Randes der Elektrode angreifen. Infolge dieser Bauart .führen diese Klemmfedern keine mechanische Dämpfung des Dickenschwingers herbei. Ausserdem stellt sich heraus, dass der Kontakt mit der kleinen Elektrode 2 auch mit Hilfe einer Kleinmfeder y hergestellt werden kann, wobei durch richtige Einstellung dieser Klemmfeder gleichfalls keine mechanische Dampfung auftritt.

Fig. 10 zeigt einen kreisförmigen Dickenschwinger 1 mit rechteckigen zueinander senkrechten Elektroden 12 und 13. Bei gleichen Breiten der Elektroden ist die wirkeame OberflSche 0 in diesem Falle qua-

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dratisch. Die beiden Elektroden können auch einen scharfen Winkel miteinander einschlössen, woduroh eine rautenförmige virkeame Oberfläche erhalten wird. Eine gegenseitige Verschiebung der Elektroden beeinflusst die virksane ElektrodenoberfISche nicht, die also in diesem Falle der Bedingung nach der Erfindung entspricht. Bei dieser Bauart können mehrere Elektroden (in dieser Figur z.B. noch die Elektrode 14) angebracht werden»

Fig« 11 zeigt einen kreisförmigen Dickensohwinger, dessen Stirnfl&chen mit Elektroden 12 und 1J versehen sind, welche die in der Figur dargestellte Fora aufweisen. Die wirksame ElektrodenpberflXche O ist in diesem Falle etwa kreisförmig. Die gezeigte Elektrodenform hat den Vorteilt dass auf besonders einfache Weise der elektrische Kontakt angebracht werden kann. Diese Anbringung kann ntalich dadurch erfolgen, dass auf jede Stirnflieh· drei Kleamfedern alt einer gegenseitigen Winkelverschiebung von 120* angreifen. Durch die besonders Form der Eleketroden stellt jedenfalls zumindest eine dieser Klemmfedern einen Kontakt mit der betreffenden Elektrode her, wahrend der Schwinger auf günstige Weise eingeklemmt wird.

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Claims (1)

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1.J Dickenschwinger aus einem piezoelektrischen Material mit einem elektromechanischen Kopplungekoeffizienten K >0,15 in Form eines scheibenförmigen Körpers_t dessen Stirnflächen mit Anstoeeelektroden versehen sind, dadurch gekennzeichnet, das β die örösstabmeseung D der in der Dickenrichtung des Schwingers einander gegenüber liegenden Oberflächen der Elektroden die Bedingung D < d τ? erfüllt, wobei d die Dicke des scheibenförmigen Körpers, K den elektromechanischen Kopplungskoeffizienten unc A eine Konstante darstellt, welche für die unterschiedlichen Sohwingur.gsmodi die nachstehenden Werte aufweistι

- für den Dickensehermodus, gegebenenfalls mit Toreionscharakter, A « 6

- für den Dickendilatationsmodus A « 4

- für den Dickenradialschermodus A- 30, und dass der Abstand jedes Punktes des Umfange der Oberflichen O το» Bande des Schwingers mindestens gleich der Abmessung der Oberflächen 0 in der Richtung ist, in der dieser Abstand gesessen ist, 2, Piezoelektrischer Dickensohwinger naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine der Elektroden die erwShnte Bedingung erfüllt und die zweite Elektrode erheblich grosser ist. 3» Piezoelektrischer Dickensohwinger naoh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Kontakt mit der grSssten Elektrode mit Hilfe dreier Klemmfedern mit einer Winkelversohiebung von etwa 120° und der elektrische Kontakt mit der kleinsten Elektrode mit Hilfe einer einzigen Klemmfeder hergestellt ist*

4· Piezoelektrischer Dickenschwinger nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schwingern, die im Diokenschermodus, gegebenenfalls mit Torsionscharak.ter, oder im Dioken-

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-18- PHN. 4253·

dilatationsmodus angeatossen werden, der Körper derart polarisiert ist, dass zwischen dem zwischen den Elektroden liegenden Gebiet und dem nusserhalb der Elektroden liegenden Gebiet die Polarisation einen kontinuierlichen Verlauf aufweist.

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