DE2205160C3 - Piezoelectric elongation transducer - Google Patents

Description

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Piezoelektrische Längsdehnungsschwinger bestehen gewöhnlich aus rechteckförmigen Platten aus Quarz oder einem anderen piezoelektrischen Material und tragen an ihren einander gegenüberliegenden großen Flächen je eine der beiden Elektroden zur Erregung mechanischer Schwingungen durch elektrische Felder. Da nun der Schwingkristall nicht nur zu longitudinalen Schwingungen auf seiner Grundfrequenz angeregt werden kann, sondern auch longitudinal Oberschwineungen erregt werden können, führt dieses bei Einsatz des Schwingers in Siebschaltungen zu unerwünschten Nebenresonanzen, die sich in Dämpfungseinbrüchen auswirken.Piezoelectric elongation transducers usually consist of rectangular plates made of quartz or another piezoelectric material and wear on their opposing large Areas each one of the two electrodes for the excitation of mechanical vibrations through electrical fields. Since the oscillating crystal is not only excited to longitudinal oscillations at its basic frequency can be, but also longitudinal harmonics can be excited, this leads to undesirable effects when the oscillator is used in filter circuits Side resonances that result in attenuation drops.

Wie dem Aufsatz von J.J. Vormer: »Crystal-Plates Without Overtones« in Proc. I. R. E., Vol. 39 (1951) ρ 1086 bis 1087, zu entnehmen ist, können nun geradzahlige Harmonische weitgehend dadurch unterdrückt werden, daß die Elektroden streng punktsymmetrisch zum Schnittpunkt der Symmetrieachsen ausgebildet werden. Eine bestimmte ungeradzahlige Harmonische kann dabei dadurch unterdrückt werden, daß die Elektroden längs der langen Symmetrieachse nur eine gewisse Ausdehnung aufweisen, d. h., daß die Elektroden wohl die gesamte Breite aber nur -;₅ oder⁴/, der Länge der Quarzplatte bedecken.As in the article by JJ Vormer: "Crystal Plates Without Overtones" in Proc. IRE, Vol. 39 (1951) ρ 1086 to 1087, even harmonics can now be largely suppressed by making the electrodes strictly point-symmetrical to the intersection of the axes of symmetry. A certain odd harmonic can be suppressed in that the electrodes along the long axis of symmetry only have a certain extent, ie that the electrodes have the entire width but only -; _{Cover 5} or ⁴ /, the length of the quartz plate.

Um alle ungeradzahligen Oberschwingungen zu unterdrücken, müßte der Teil der von den Elektroden bedeckten Fläche des Kristalls aufgetragen über der langen Symmetrieachse einer Sinusfunktion zwischen 0 und n. folgen. Eine weitere, wohl aber kaum zu realisierende Möglichkeit bestände darin, daß das anregende Feld über der langen Symmetrieachse einen sinusförmigen Verlauf aufwiese.In order to suppress all odd harmonics, the part of the surface of the crystal covered by the electrodes, plotted over the long axis of symmetry, would have to follow a sine function between 0 and n. Another possibility, which can hardly be realized, would be for the exciting field to have a sinusoidal profile over the long axis of symmetry.

Aus der DT-OS 1918 495 ist bekannt, bei einem piezoelektrischen Resonator die Metallisierung der Elektroden so auszubilden, daß sich diese von der Mitte zu den schmalen Seiten des Resonators hin zunehmend verringert und auf einer Fläche in einem bestimmten Abstand von den schmalen Seiten endet. Die Elektroden sind dabei durch Kreisbögen begrenzt.From the DT-OS 1918 495 is known in one piezoelectric resonator to form the metallization of the electrodes so that they stand out from the Center increasingly reduced towards the narrow sides of the resonator and on one surface in one ends certain distance from the narrow sides. The electrodes are limited by arcs of a circle.

Da nun rechteckförmige Platten nicht nur zu longitudinalen Schwingungen, sondern auch zu Biegeschwingungen angeregt werden, gibt die deutsche Patentschrift 10 51915 die Lehre, die Quarzplatte nicht rechteckförmig, sondern parallelogrammförmig auszubilden, um diese Biegeschwingungen zu unterdrücken. Jetzt stehen die Symmetrieachsen also nicht mehr senkrecht aufeinander, was bei einer besonderen Ausbildung der Elektroden zu berücksichtigen ist.Since now rectangular plates not only cause longitudinal vibrations, but also bending vibrations are stimulated, the German patent 10 51915 teaches the quartz plate not rectangular, but parallelogram-shaped in order to suppress these bending vibrations. So now the axes of symmetry are no longer perpendicular to each other, which is the case with a special one The formation of the electrodes must be taken into account.

Fertigungsmäßig ist nun ein sinusförmiger Verlauf oder ein durch Kreisbögen begrenzter Verlauf der von den Elektroden bedeckten Fläche schon bei rechteckförmigen, besonders aber bei parallelogrammförmigen Kristallplatten schwierig zu realisieren. Die vorliegende Erfindung stellt sich deshalb die Aufgabe, Näherungen für einen solchen Verlauf anzugeben, mit dem außer den geradzahligen Harmonischen auch mehr als eine ungeradzahlige Harmonische unterdrückt werden kann.In terms of production, a sinusoidal curve or a curve delimited by arcs is now used by the area covered by the electrodes already in the case of rectangular ones, but especially in the case of parallelogram-shaped ones Crystal plates difficult to make. The present invention therefore has the task of To give approximations for such a curve, with the exception of the even harmonics even more than one odd harmonic can be suppressed.

Für einen piezoelektrischen Längsdehnungsschwinger, bestehend aus einer rechteckförmigen oder parallelogrammförmigen Platte aus Quarz oder einem anderen piezoelektrischen Material mit je einer Elektrode auf den gegenüberliegenden großen Flächen der Platte, bei dem der Verlauf der Begrenzungsfiächen der Elektroden in bezug auf den Kreuzungspunkt der Symmetrieachsen punktsymmetrisch ist und deren normierte Breite aufgetragen über der normierten Länge der Platte einer Sinusfunktion zwischen 0 und π folgt, wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß der sinusförmige Verlauf der Elektrodenbreite durch ein Polygon angenähert wird. In weiterer Fortbildung der Erfindung werden einige solche Polygonformen angegeben.For a piezoelectric elongation transducer, consisting of a rectangular or parallelogram-shaped Plate made of quartz or another piezoelectric material with one electrode each on the opposite large surfaces of the plate, in which the course of the boundary surfaces of the electrodes is point-symmetrical with respect to the point of intersection of the axes of symmetry and their normalized width plotted against the normalized length of the plate of a sine function between 0 and π follows, the object is achieved in that the sinusoidal course of the electrode width by a polygon is approximated. In a further development of the invention, some such polygon shapes specified.

Die Erfindung soll nun an Hand der Figuren eingehend beschrieben werden. Es zeigen dabeiThe invention will now be described in detail with reference to the figures. Show it thereby

Fig. la und 1 b die zum Stande der Technik beschriebene Maßnahme der Unterdrückung einer ungeradzahligen Harmonischen durch Wahl der Elektrodenlänge, Fig. La and 1b described the prior art Measure to suppress an odd harmonic by choosing the electrode length,

F i g. 2 eine Elektrode mit sinusförmigem Querschnittsverlauf zur Unterdrückung aller ungeradzahligen und geradzahligen Oberschwingungen,F i g. 2 an electrode with a sinusoidal cross-section to suppress all odd numbers and even harmonics,

F i g. 3 bis 5 zeigen erfindungsgemäße Approximationen des sinusförmigen Querschnittverlaufef durch Polygone.F i g. 3 to 5 show approximations according to the invention of the sinusoidal cross-sectional shape through polygons.

In dem bereits angeführten Aufsatz ist von J. J. V ο r m e r Tür sinusförmigen Verlauf der Elektrode die Bedingung für die Unterdrückung von Oberwellen mitIn the article already cited, J. J. V ο r m e r Tür shows the sinusoidal course of the electrode the condition for suppressing harmonics with

■ sin■ sin

· sin κ· Sin κ

= 0= 0

unterdrückende Harmonische, wobei also k > 1 ist und alle geradzahligen Wert:: annehmen kann. Die jeweilige Breite der Elektrode an einem Punktex istsuppressing harmonics, where k> 1 and can assume all even-numbered values ::. The respective width of the electrode at a point is x

dann J · sin —, worin J die Breite des Schwingers ist.then J · sin -, where J is the width of the transducer.

Da die Elektroden symmetrisch zur Mitte der Schwingerlänge angeordnet sein müssen, um die geradzahligen Oberwellen zu unterdrücken, braucht man für die Unterdrückung ungeradzahliger Harmonischer nur die eine Vibratorhälfte zu betrachten. Mißt man den jeweiligen Abstand nun nicht von einem Ende des Schwingers, sondern vom Symmetriepunkt und setzt dabei diesen normiert über die Länge / gleich y, so ergibt sichSince the electrodes must be arranged symmetrically to the center of the transducer length in order to suppress the even-numbered harmonics, only one half of the vibrator needs to be considered for the suppression of odd-numbered harmonics. If one measures the respective distance not from one end of the oscillator, but from the point of symmetry and sets this normalized over the length / equal to y, the result is

i 2i 2

Jn · cos ηy ■ cos kny ■ dy = 0.Jn · cos ηy ■ cos kny ■ dy = 0.

Soll nun der sinusförmige Verlauf der Elektroden-If the sinusoidal course of the electrode

, , . . π χ ,. r, ■ ,· /-JU-. 20 breite nach F i g. 2 etwa durch das in Fi g. 3a darge-,,. . π χ,. r, ■, · / -JU-. 20 width according to fig. 2 for example by the in Fi g. 3a shown

angegeben, wobei sin η- die Funktion f_b des Breiten- _{ste]Ue Polygon} ^S _{angenähert werderii so w}|_{ren hier}beigiven, where sin η- the function f _{b of} the latitude point _{Ue polygon} ^{S is} _{approximated so w} | _{ren here}

Verlaufes ist. Hierin ist / die Länge des Schwingers, zur Unterdrückung z. B. der 3. und 5. Oberwelle die χ der jeweilige Abstand von einem Ende und k die zu Bedingungen zu erfüllenCourse is. Here is / the length of the transducer, for suppression z. B. the 3rd and 5th harmonics the χ the respective distance from one end and k the conditions to be met

aa bb 1212th

Jd₁ · cos 3 τιy ■ dy + Jj₂ · cos 3.-7}·· Jy + JJ₃ · cos 3 ny ■ dy = O,Jd ₁ · cos 3 τιy ■ dy + Jj ₂ · cos 3.-7} ·· Jy + JJ ₃ · cos 3 ny ■ dy = O,

ü U Ilü U Il

α Ii 12α Ii 12

JJ₁ · cos 5 τιy ■ dy + Jj₂ ■ cos 5.-7)'· dy + JJ₃ · cos 5 ny ■ dy = O,JJ ₁ · cos 5 τιy ■ dy + Jj ₂ ■ cos 5.-7) '· dy + JJ ₃ · cos 5 ny ■ dy = O,

O a O a hH

wobei dann bei der dargestellten Elektrodenform J₁ = J, also gleich der Breite des Schwingers ist. Wenn mehr als die dritte und fünfte Oberwelle unterdrückt werden sollen, so erhält die Elektrodenform auch mehr Absätze, deren Lage und Breite durch einen entsprechenden erweiterten Ansatz zu bestimmen ist. Für die Unterdrückung der dritten und fünften Oberwelle sind in F i g. 3 b nun für feste Werte von b gleich 0,4 (ausgezogen) bzw. 0,3 (gestrichelt), die für einen variablen Wert von α zugehörigen Werte der Breiten J₂ und J₃ aufgetragen, wobei d_l = d ist.where in the illustrated electrode shape J ₁ = J, that is, equal to the width of the transducer. If more than the third and fifth harmonics are to be suppressed, the electrode shape also has more steps, the position and width of which must be determined by a correspondingly extended approach. For the suppression of the third and fifth harmonics, FIG. 3 b now for fixed values of b equal to 0.4 (solid) or 0.3 (dashed), the values of widths J ₂ and J ₃ associated with a variable value of α are plotted, where d _l = d .

Wie aus diesem Diagramm hervorgeht, kann mit der in F i g. 4 dargestellten einfachen Elektrodenform sowohl die dritte wie auch die fünfte Oberwelle unterdrückt werden, wenn man J₂ = J₃ gleich 0,414 J (Schnittpunkt der Kurven J₂ und J₃) und a = b = 0,25 wählt. In diesem Falle geht die in der Breite zweimal abgesetzte Elektrodenform nach Fig. 3a in die in der Breite nur einmal abgesetzte der F i g. 4 über.As can be seen from this diagram, with the in F i g. 4, both the third and the fifth harmonic can be suppressed if J ₂ = J ₃ is chosen to be 0.414 J (intersection of curves J ₂ and J ₃ ) and a = b = 0.25. In this case, the electrode shape, which is separated twice in width according to FIG. 3a, goes into the shape of FIG. 4 over.

F i g. 5 zeigt nun eine weitere Vereinfachung der Elektrodenform nach Fig. 3a. Wählt man a = 0,12 und läßt die Elektrodenbreite von dem Werte J₁ = J für α linear auf den Wert J₃ = 0 für y = 0,5 abfallen, so wird ebenfalls die dritte und fünfte Harmonische unterdrückt. Praktische Messungen haben dabei gezeigt, daß der Wert von α hierbei innerhalb der Grenzen 0,05 und 0,2 variiert werden kann. Diese Elektrodenform läßt sich fertigungsmäßig besonders einfach realisieren. F i g. 5 now shows a further simplification of the electrode shape according to FIG. 3a. If one chooses a = 0.12 and lets the electrode _{width decrease linearly from the value J 1} = J for α to the value J ₃ = 0 for y = 0.5, the third and fifth harmonics are also suppressed. Practical measurements have shown that the value of α can be varied within the limits 0.05 and 0.2. This electrode shape can be implemented particularly easily in terms of production.

Die vorliegende Erfindung gibt also Lehren für eine Annäherung des alle geradzahligen und ungeradzahligen Längsdehnungsobcrwellen unterdrückenden sinusförmigen Verlaufes der Elektrodenbreite über der Schwingerlänge durch ein Polygon, wobei sich dann die geraden Begrenzungslinien dieser Polygone fertigungsmäßig einfach herstellen lassen. Durch diese polygonförmigen Elektroden lassen sich nur bestimmte ungeradzahlige Oberwellen unterdrücken, wobei für die Praxis meistens die Unterdrückung der dritten und fünften Oberwelle ausreicht. Da diese Elektroden streng punktsymmetrisch zum Symmetriepunkt vcrlaufen, werden dabei auch alle geradzahligen Oberwellen unterdrückt.Thus, the present invention teaches an approximation of all even and odd numbers The sinusoidal curve of the electrode width over the Oscillator length through a polygon, with the straight boundary lines of these polygons then being manufactured just have it manufactured. These polygonal electrodes can only be used for certain Suppress odd harmonics, in practice mostly suppressing the third and fifth harmonic is sufficient. Since these electrodes run strictly point-symmetrically to the point of symmetry, all even-numbered harmonics are suppressed.

Fertigungsmäßig kann nun die gewünschte Elektrodenform dadurch realisiert werden, daß auf beide gegenüberliegende große Flächen des Schwingkristall diese Form deckungsgleich aufgedampft wird. Ebenso kann aber die eine Elektrode die eine ganze große Fläche einnehmen und nur die auf die andere große Fläche aufgebrachte Elektrode die gewünschte Polygonform aufweisen. Ferner können zunächst beide große Flächen ganz mit einer leitenden Elektrodenschicht bedeckt werden und dann die gewünschte Polygonform durch Ritzen auf einer oder beiden Flächen hergestellt werden. In der Wirkung bestehen zwischen diesen vier Varianten keine Unterschiede.In terms of production, the desired shape of the electrode can now be achieved by acting on both Opposite large areas of the oscillating crystal this shape is vapor-deposited congruently. as well but one electrode can occupy a large area and only the one on the other large area Surface applied electrode have the desired polygon shape. Furthermore, both can initially large areas are completely covered with a conductive electrode layer and then the desired Polygonal shape can be made by scoring on one or both surfaces. Consist in the effect no differences between these four variants.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims (7)

Patentansprüche:Patent claims: 1. Piezoelektrischer Längsdehnungsschwinger, bestehend aus einer rechteckförmigen oder parallelogrammförmigen Platte aus Quarz oder einem anderen piezoelektrischen Material mit je einer Elektrode auf den gegenüberliegenden großen Flächen der Platte, bei dem der Verlauf der Begrenzungsflächen der Elektroden in bezug auf den Kreuzungspunkt der Symmetrieachsen punktsymmetrisch ist und deren normierte Breite aufgetragen über der normierten Länge der Platte einer Sinusfunktion zwischen 0 und η folgt, dadurch gekennzeichnet, daß der sinusförmige Verlauf der Elektrodenbreite durch ein Polygon angenähert wird.1. Piezoelectric elongation oscillator, consisting of a rectangular or parallelogram-shaped plate made of quartz or another piezoelectric material, each with an electrode on the opposite large surfaces of the plate, in which the course of the boundary surfaces of the electrodes is point-symmetrical with respect to the intersection of the axes of symmetry and their normalized width plotted over the normalized length of the plate follows a sine function between 0 and η , characterized in that the sinusoidal course of the electrode width is approximated by a polygon. 2. Piezoelektrischer Längsdehnungsschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode aus einem rechteckförmigen Mittelteil mit einer Länge von etwa 0,5 der Plattenlänge und der ganzen Plattenbreite besteht, daß dieses Rechteck durch rechteckförmige Seitenteile der Breite von etwa 0,414 der Plattenbreite zu einer sich über die ganze Plattenbreite erstreckenden Elektrode ergänzt wird.2. Piezoelectric elongation vibrator according to claim 1, characterized in that each electrode consists of a rectangular central part with a length of about 0.5 of the plate length and the entire width of the plate is that this rectangle by rectangular side parts of the Width of about 0.414 of the plate width to one extending over the entire plate width Electrode is added. 3. Piezoelektrischer Längsdehnungsschwinger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrode aus einem rechteckförmigen Mittelteil mit einer Länge von etwa 0,24 der Plattenlänge und der ganzen Plattenbreite besteht, daß dieses Rechteck durch dreieckige Seitenteile mit der Plattenbreite als Basis zu einer sich über die ganze Plattenlänge erstreckenden Elektrode ergänzt wird.3. Piezoelectric elongation vibrator according to claim 1, characterized in that each electrode consists of a rectangular central section about 0.24 the length of the plate and the entire width of the plate is that this rectangle is formed by triangular side parts with the Plate width is supplemented as a base to form an electrode extending over the entire length of the plate. 4. Piezoelektrischer Längsdehnungsschwinger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des rechteckförmigen Mittelteiles zwischen 0,1 und 0,4 der Plattenlänge variiert.4. Piezoelectric elongation vibrator according to claim 3, characterized in that the The length of the rectangular central part varies between 0.1 and 0.4 of the plate length. 5. Piezoelektrischer Längsdehnurtgsschwinger nach Anspruch 1 oder einem der nachgeordneten Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden auf beiden großen Flächen der Platte als Polygon ausgebildet sind.5. Piezoelectric longitudinal stretching transducer according to claim 1 or one of the subordinate ones Claims 2 to 4, characterized in that the electrodes on both large surfaces of the Plate are designed as a polygon. 6. Piezoelektrischer Längsdehnungsschwinger nach Anspruch 1 oder einem der nachgeordneten Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Elektrode auf einer Plattenseite Polygonform aufweist, daß die Elektrode auf der anderen Plattenseite die ganze Fläche bedeckt.6. Piezoelectric elongation vibrator according to claim 1 or one of the subordinate Claims 2 to 4, characterized in that only the electrode has a polygonal shape on one side of the plate, that the electrode on the other Plate side covers the entire surface. 7. Piezoelektrischer Längsdehnungsschwinger nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gewünschte Potygonform durch eine linienförmige Unterbrechung der im ganzen metallisierten Fläche erhalten wird.7. Piezoelectric elongation transducer according to claim 6 or 7, characterized in that that the desired potygon shape by a line-shaped interruption of the metallized as a whole Area is obtained. 5555