NO316420B1 - Piezoelektrisk resonator med regulerbar resonansfrekvens, og kommunikasjonsapparat med slike resonatorer - Google Patents

Description

Oppfinnelsen gjelder en piezoelektrisk resonator, en fremgangsmåte for å innregulere dens egenresonansfrekvens, og et kommunikasjonsapparat, særlig i form av en radiomottaker Nærmere bestemt gjelder oppfinnelsen en resonator som har en svingekjerne av piezoelektrisk materiale og som settes i mekaniske svingninger ved påtrykk av et elektrisk signal Resonatoren kan inngå i en elektronisk komponent så som en oscillator, en disknminator eller et filter

En konvensjonell piezoelektrisk resonator, for eksempel resonatoren 1 vist på fig 11 i tegningene som hører til, har en svingekjerne 2 i form av en rektangulær plate som er pålagt en elektrode 3 på hver av hovedoverflatene Svingekjernen er polarisert i tykkelsesretningen, og når et signal påtrykkes elektrodene 3 settes kjernen i langsgående svingninger, det vil si at den svinger i sin longitudinale svingningsmodus Den vil svinge som et "ikke stivt" legeme, og dette betyr at polansasjonsretmngen og retningen av det elektriske påtrykte felt avviker fra svingeretningen

En måte å innstille resonansfrekvensen på, i en slik resonator er vist og beskrevet i patentskriftet JP 204778/1994, og det bygges på den kjensgjerning at resonansrfekvensen av de longitudinale svingninger blant annet bestemmes av lengden av svingekjernen, og derved fjernes en større eller mindre del av endeparuet for å øke resonansrfekvensen

Dette har imidlertid den ulempe at mekaniske påkjenninger og friksjonsvarme ved tidspunktet for avkuttingen påvirker resonatorens egenskaper uheldig Særlig vil det være et behov for å ta vare på og fjerne biter eller partikler som fremkommer ved avkuttingen, siden piezoelektnske materialer som vanligvis brukes for slike resonatorer inneholder Pb Metoden har også negativ påvirkning på andre karakteristika, innbefattet resonatorens elektriske kapasitet, siden deler av det piezoelektnske materiale og elektrodene fjernes Ved frek-vensheving ved avkutting er det også vanskelig å ha full kontroll under arbeidsoperasjonen Endelig har man ikke på denne måte noe middel hl å redusere resonansfrekvensen, bare øke den

For å unngå disse problemer som hører til den kjente teknikk foreslås det, i og med oppfinnelsen, en fremgangsmåte slik det fremgår av patentkrav 1, altså en fremgangsmåte for å øke en piezoelektrisk resonators egenresonansfrekvens, nemlig en resonator som er innrettet for å svinge med sm longitudinale svingemodus og har en svingekjerne som strekker seg i resonatorens lengderetning, idet økningen av egenresonansfrekvensen utføres ved pålegging av tilleggsmateriale på svingekjernen, og denne fremgangsmåte er særlig kjennetegnet ved at tilleggsmaterialet avsettes på svingekjernen i et område på omkring L/2 fra en sentral del av svingekjernen, i dennes lengderetning, idet L er svingekjernens totale lengde Særlig kan tilleggsmaterialets masse reguleres, og spesielt er dette tilleggsmateriale i form av et blekk som påføres av en blekkstråleskriver, idet blekkets masse reguleres ved å velge antallet påføringer av blekket fra skriveren

Endringen av resonatorens egenresonansfrekvens kan innbefatte avsetning av tilleggsmaterialet på svingekjernen flere ganger Den piezoelektnske resonator kan videre omfatte ytre elektroder på en første overflate på svingekjernen, idet tilleggsmatenalet påføres en andre overflate på denne, motsatt den første

Særtrekk ved oppfinnelsens piezoelektnske resonator fremgår av patentkrav 7, og dens kommumkasjonsapparat av kravene 8 og 9

Generelt vil man med oppfinnelsen få en god kontroll over mengden påført blekk på hver eneste av en større sene piezoelektnske resonatorer som bearbeides samtidig eller fortløpende og som skal ha samme frekvensendnng Blekkpåfønngen kan også skje uten direkte kontakt med resonatoren selv, slik at man ikke innfører mekaniske påkjenninger eller overfører varme

Siden intet matenale fjernes fra resonatoren, i kontrast til den kjente teknikk som beskrevet ovenfor, far man ingen andre påvirkninger på resonatorens karakteristiske egenskaper enn at resonansfrekvensen forflyttes, og man far heller ingen matenalproblemer når det gjelder giftighet, deponenng etc Når slike resonatorer brukes i kommunika-sjonsapparater så som radiomottakere kan frekvens- og båndbreddevalg gjøres ut fra de valgte resonatorer, og øvnge egenskaper endres ikke

Resonansfrekvensen av en piezoelektnsk resonator med en svingekjerne kan generelt illustreres som en fjær-masse-modell slik det er illustrert på fig 3 med en masse m i hver ende av en fjær hvis fjærkonstant er k Resonansrfekvensen for denne mekaniske modell er (k/m)<l/2> For å øke en resonators svingekretsmasse nærmere endene, nærmere bestemt i en avstand L/4 fra begge ender pålegges altså en masse som tilsvarer massen m i modellen Når en slik masse legges på på disse steder reduseres svingekjernens resonansfrekvens Tilsvarende kan matenale påføres ved midten av svingekjernen, og dette matenale bør da ha en bestemt stivhet, hvilket tilsvarer å øke fjærens fjærkonstant k, hvorved resonatorens egenfrekvens økes På denne måte unngår man å fjerne noe resona-tormatenale, men man begrenser seg til å tilføye masse

Andre trekk ved oppfinnelsen og fordeler med denne vil fremgå av den detaljbesknvelse som nå følger, av foretrukne utførelser, og hvor det vises til tegningene

Fig 1 viser i perspektiv en foretrukket utførelse av resonatoren, fig 1 viser skjematisk hvordan denne resonator nærmere er oppbygget i laminert struktur med tverrstilte skiver, fig 3 viser en modell over en mekanisk svmgekrets med to masser og en fjær, fig 4 viser i perspektiv en resonator ifølge oppfinnelsen og hvor det er lagt på en masse i hver ende, fig 5a viser hvordan masser øker lineært med lengden av det stykke som pålegges, fig 5b viser hvordan frekvensen reduseres som funksjon av hvor langt innover masse påføres, inntil L/2 som tilsvarer påfønng på hele overflaten, fig 6a og 6b viser hvordan resonansfrekvensen reduseres som funksjon av antall påfønnger av masse med en blekkstrålesknver, for henholdsvis to pålagte endepartier og hele overflaten, fig 7 viser en resonator hvor en stiv masse er påført på midten av en overflate, fig 8 viser hvordan slik på-føring gir resonansfrekvensøkning når lengden av det påførte område økes, fig 9 viser i perspektiv hvordan en resonator får redusert resonansfrekvens ved at masse er lagt på begge endene, fig 10 viser i perspektiv et typisk eksempel på en plateformet piezoelektrisk resonator, og fig 11 viser et blokkskjema over en foretrukket utførelse av et kommunikasjonsapparat i form av en dobbelsupermottaker

Fig 1 og 2 viser særlig hvordan en typisk piezoelektrisk resonator 10 har en rektangulært pnsmatisk svingekjerne 12 som utgjør det egentlige svingeelement Kjernen 12 er bygget opp med flere tverrstilte piezoelektnske skiver 14 og et tilsvarende antall innskutte indre tverrelektroder 16 Hvert par skiver 14 er polansert i kjernens lengderetning, men motsatt slik det er vist med pilene på fig 2 Endepartiene av kjernen er imidlertid ikke polansert i den viste utførelse, selv om andre utførelser kan være det En elektrisk isolerende film 18a henholdsvis 18b er lagt på annenhver indre elektrode 16 der de er ført ut med sin ene kant på en sideflate på svingekjernen 12, slik at det dannes to grupper av indre elektroder med annenhver elektrode i hver gruppe En ytre elektrode 20a, 20b er lagt på langs på denne sideflate på svingekjernen 12 og er forbundet med de blottlagte sidekanter på de indre elektroder 16, nemlig de som ikke er dekket av noen film 18a, 18b, slik at den første ytre elektrode 20a blir galvanisk forbundet med annenhver indre tverrelektrode 16, i den første gruppe, mens den andre ytre tverrelektrode 20b blir forbundet med de resterende indre elektroder, i den andre gruppe Fig 2 illustrerer dette På en annen sideflate, den motsatte i utførelseseksempelet og vendt nedover på tegningene, er det påført tilleggsmateriale 22, for eksempel slik som vist ved endene av svingekjernen 12 og et stykke innover mot midten (regnet i lengderetningen) Matenalet 22 er fortrinnsvis pålagt som et blekkmatenale og ved hjelp av en blekkstråleskriver

Et elektrisk felt påtrykkes mellom to og to indre tverrelektroder 16 via skiven 14 mellom dem, ved at et elektrisk signal påtrykkes de ytre elektroder 20a og 20b Den piezoelektnske virkning i skivene 14 gjør at disse utvides og trekkes sammen i takt med amplituden av det påtrykte signal, og denne bevegelse vil foregå i svingekjernens lengderetning Påtrykkes et penodisk signal settes derved resonatoren 101 longitudinale svingninger i takt med signalet Svingningene vil foregå som i et stivt, kompakt legeme Egenresonansfrekvensen av svingekjernen og dermed resonatoren er illustrert med den allerede omtalte modell på fig 3 og vil være proporsjonal med (k/m)<1/2> Som før er m massen og k fjærkonstanten Tilsvarende modellen økes den svingende masse ved påfønngen av tilleggsmatenalet 22, og følgelig reduseres resonansfrekvensen i forhold til hvis ingen tilleggsmasse hadde vært påført

Når tilleggsmatenalet 22 påføres ved hjelp av en blekkstrålesknver skjer gjerne dette i tnnn inntil matenalet har bygget seg opp til en viss tykkelse t (fig 4) Fig 5a og 5b viser hvordan den totale masse M som påføres ved tilleggsmatenalet 22 øker som funksjon av lengden Lj regnet fra svingekjernens ender og innover, og som funksjon av hvilken tykkelse t matenalet legges på i, i diagrammet vist ved to tykkelser t( og t2, idet t] < t2 Når lengden Lj = L/4 betyr dette at til sammen halvparten av den pålagte flate er dekket av tilleggsmaterialet 22 (tilsvarende fig 4), mens når Lf = L/2 er massepåleggingen ført helt inn til midten av svingekjernen, slik at massen dekker hele overflaten på svingekjernen 12

Fig 5b viser hvordan svingekjernens resonansfrekvens først gradvis avtar og deretter holdes konstant inntil hele overflaten er dekket

Det å legge masse på ved midten av svingekjernen gir altså ingen reduksjon av resonansfrekvensen Følgelig foretrekker man å legge tilleggsmatenalet 2 på endepartiene, inntil omknng L/4 fra hver ende For øvng er det ikke så nødvendig å fastlegge form og massefordeling i matenalet 22 så lenge det pålegges i dette angitte område, men form og fordeling kan brukes til finregulenng av resonansfrekvensen, mot en ønsket verdi

Ved å bruke en blekkstrålesknver er det lett å legge på tilleggsmatenalet 22 under presis kontroll, ved at en slik sknver kan legge på en liten blekkdråpe hvis masse er mindre enn 0,1 fig, og derved kan massen gradvis bygges opp ved stynng av sknveren

Fig 6a og 6b illustrerer dette, idet man langs abscissen har avsatt antall påfønnger av blekk, mens ordmaten viser resultatet i form av en reduksjon i resonatorens resonansfrekvens Reduksjonen er angitt i kHz for henholdsvis L| = L/4 (6a) og Lj = L/2 (6b) Bare en av sidene på svingekjernen 12 påføres tilleggsmatenale i fonn av blekk Det fremgår av diagrammene at frekvensen reduseres tilnærmet proporsjonalt med antallet påfønnger av masse Dette gjelder enten området hvor tilleggsmatenalet legges er hele overflaten (fig 6b) eller bare halvparten, nemlig i endepartiene (fig 6a)

Man har altså et mål på presis innregulenng av resonatorens egenresonansfrekvens, ved å velge antall massepåfønnger fra en blekkstrålesknver Videre kan flere resonatorer 10 samtidig innreguleres med hensyn til resonansreduksjon Ved å påføre blekk på endepartiene av en flate på svingekjernen 12 behøver man heller ikke ha mekanisk kontakt mellom påfønngsinnretmngen og kjernens overflate, og både fnksjonsvarme og mekaniske påkjenninger unngås derved Uønskede virkninger på resonatorens 10 elektnske egenskaper spares derfor

Alternativt kan tilleggsmatenalet 22 også inneholde harpiks som legges på i en tykkfilmprosess, for eksempel ved påtrykking eller ved å bruke et passende på-fønngsapparat

Et annet virkemiddel til å endre resonatorens egenresonansfrekvens, motsatt i forhold til det som er gjennomgått ovenfor, er å legge på et stivt tilleggsmateriale 22 på en sideflate på svingekjernen 12 i en tykkfilmpåfønngsprosess For eksempel kan man bruke en av de fremgangsmåter man brukte for å legge på den elektrisk isolerende film på tverrelektrodene 16, for å hindre at annenhver slik elektrode skulle fa kontakt med en av de langsgående ytre elektroder 20a, 20b Matenalet 22 som legges på kan inneholde sølv, Ag, for å være så stivt at det far den nktige virkning Virkningen er nemlig at midtpartiet av svingekjernen skal avstives slik at resonansfrekvensen øker Dette blir analogt med den masse-fjær-modell som er vist på fig 3, ved at fjærkonstanten k økes Selv om altså tilleggs-massen blir lagt på, kommer dette til å spille mindre rolle, idet det er avstivningen av det midtre parti av svingekjernen som blir dominerende for frekvensendnngen og altså bevirker en frekvensøkning når massen pålegges

Således legges tilleggsmatenalet 22 fortrinnsvis på midtpartiet og etter hvert utover mot endene av svingekjernen, i dennes lengderetning, slik det er vist på fig 7 Fig 8 viser forholdet mellom lengden L| av tilleggsmatenalet 22 (i resonatorens og svingekjernens lengderetning) langs abscissen i et diagram, og økningen i resonansfrekvens som funksjon av denne lengde, langs ordinaten Frekvensøkningen skjer som følge av påleggingen av et avstivende matenale ved midten av resonatoren Når Li er i området mellom 0 og L/2 øker frekvensen med lengden av pålagt matenale, men deretter skjer ingen frekvensøkning, frem til L| = L hvor hele overflaten er dekket Dette skyldes at den tilleggsmasse som blir pålagt nærmere endene motvirker avstivmngsvirkningen ved midten, og formelen for svinge-modellen med fjær og masse tilsier at samme faktor som økning av både fjærkonstanten k og massen m gir uendret resonansfrekvens Ønsker man altså en øknmg av resonansfrekvensen er det tilstrekkelig å avsette masse i midtområdet, og ytterligere matenaltilførsel vil være bortkastet

Resonansfrekvensen kan altså økes ved å legge på masse i midtområdet, reduseres ved å legge på masse på endepartiene, og graden av økning eller reduksjon kan endres ved å legge på færre eller flere lag av for eksempel blekk fra en blekkstrålesknver, eller å velge annen type materiale 22, for eksempel ved at det velges mellom blekk og metall

Oppfinnelsens fremgangsmåte går altså ut på å legge på matenale i stedet for å fjerne matenale fra svingekjernen i resonatoren 10 med sine piezoelektnske skiver, indre tverrelektroder etc Oppfinnelsens fremgangsmåte gir derfor ingen uheldige påvirkninger på resonatorens egenskaper, innbefattet dens elektriske kapasitet, bortsett fra resonansfrekvensen

For å redusere resonansfrekvensen kan man i tillegg til eller i stedet for å legge tilleggsmatenale 22 på en sideflate, ved endene, legge dette matenale på resonatorens eller dennes svingekjemes 12 endeflater, slik det er vist på fig 9 Likeledes kan tilleggsmatenalet legges på to sideflater i stedet for på en Resonatoren 10 er for øvng ikke begrenset til å være av laminert type, og materialet kan også legges på en resonator hvor de ytre elektroder er lagt på to forskjellige overflater, slik det er vist på fig 10 Egenresonansfrekvensen av en piezoelektnsk resonator av vilkårlig konstruksjon kan således innstilles ved fabnkasjonen ved å tilføye tilleggsmatenale slik som beskrevet ovenfor

Fig 11 viser et blokkskjema over en foretrukket utførelse av et kommunikasjonsapparat, for eksempel en kommunikasjonsmottaker av dobbeltsuper(heterodyn)typen, i samsvar med oppfinnelsen Apparatet eller mottakeren 200 som er vist blokkskjematisk har en mottaker 202 koplet til en inngangskrets 204 som sørger for impedanstilpasning mellom antennen og en etterfølgende høyfrekvensforsterker 206 som skal besknves nærmere nedenfor

En avstemmingskrets som brukes til å velge ønsket frekvens eller båndpassfilter brukes fortrinnsvis som inngangskrets 204 En utgang fra denne krets er koplet til inngangen på den etterfølgende forsterker 206 som har som funksjon å øke følsomheten ved lavstøyforsterkning og samtidig gi øket selektivitet overfor speilfrekvenser Utgangen på forsterkeren 206 går til inngangen på den første blander 208 som blander de mottatte signaler med signalet fra en første lokaloscillator slik at frekvensdifferansen videreføres Oscillatoren er vist ved 210 Frekvensforskjellen representerer mottakerens første mellomfrekvens og må passere et første båndpassfilter 212, hvoretter signalet går til en andre blander 214 med tilkoplet andre lokaloscillator, slik at man får en andre mellomfrekvens Signalene ved denne andre mellomfrekvens passerer et andre båndpassfilter 218 og forsterkes i en mellomfrekvensforsterker 220 Deretter følger en detektor 222 som demodulerer slik at signalbølger tas ut fra mellomfrekvenssignalet ved den andre mellomfrekvens Utgangen fra detektoren 222 går til en lavfrekvensforsterker 224 som forsterker de demodulerte signalbølger (lavfrekvensinformasjonen) for overføring til en høyttaler 226

De piezoelektnske resonatorer som er beskrevet ovenfor, i deres forskjellige ut-førelser, kan brukes som detektor 224 i mottakeren 200, og oppbygget som kaskadefiltere kan de også brukes i båndpassfiltrene 208 og 214 En slik dobbeltsupermottaker kan derved ha liten fysisk størrelse, men likevel gode mottakeregenskaper Ifølge oppfinnelsen kan resonatoren brukes som detektor også i en enkeltsupermottaker, og kaskadefilteret ifølge foretrukne utførelser kan altså brukes som båndpassfilter Tilsvarende det som er angitt ovenfor kan naturligvis også en enkeltsupermottaker på denne måte fa beskjeden størrelse og gode mottakeregenskaper

Oppfinnelsen er særlig vist og beskrevet i form av utførelseseksempler, men det er klart at varianter kan tenkes, idet oppfinnelsens ramme egentlig er gitt av de patentkrav som er satt opp nedenfor

Claims (9)

1 Fremgangsmåte for å øke en piezoelektrisk resonators egenresonansfrekvens, nemlig en resonator som er innrettet for å svinge med sin longitudinale svingemodus og har en svingekjerne som strekker seg i resonatorens lengderetning, idet økningen av egenresonansfrekvensen utføres ved påleggmg av tilleggsmateriale på svingekjernen, karakterisert ved at tilleggsmaterialet avsettes på svingekjernen i et område på omknng L/2 fra en sentral del av svingekjernen, i dennes lengderetning, idet L er svin<g>ekjernens totale lengde

2 Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved å regulere massen av tilleggsmatenalet

3 Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at tilleggsmatenalet er i form av et blekk som påføres av en blekkstrålesknver

4 Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at blekkets masse reguleres ved å velge antallet påfønnger av blekket fra sknveren

5 Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at endnngen av resonatorens egenresonansfrekvens innbefatter avsetning av tilleggsmatenalet på svingekjernen flere ganger

6 Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den piezoelektnske resonator omfatter ytre elektroder på en første overflate på svingekjernen, og at tilleggsmatenalet påføres en andre overflate på denne, motsatt den første

7 Piezoelektnsk resonator som omfatter en svingekjerne som er innrettet for å svinge i en longitudinal svmgemodus i svingekjernens lengderetning, og et stivt tilleggsmatenale påført i et område omknng L/2 fra et sentralt område på svingekjernen, i dennes lengderetning, idet L er svingekjernens totale lengde, karakterisert ved at det stive matenale er påført svingekjernen for å øke den piezoelektnske resonators egenresonansfrekvens

8 Kommunikasjonsapparat som omfatter en detektor med en piezoelektnsk resonator, hvilken resonator omfatter en svingekjerne som er innrettet for å svinge i en longitudinal svmgemodus i svingekjernens lengderetning, og et stivt tilleggsmatenale påført den piezoelektnske resonator for å øke dennes egenresonansfrekvens, karakterisert ved at tilleggsmatenalet er påført i et område omknng L/2 fra et sentralt område på svingekjernen, i dennes lengderetning, idet L er den totale lengde av svingekjernen

9 Kommunikasjonsapparat med et båndpassfilter, hvilket båndpassfilter omfatter et kaskadekoplet filter hvor det inngår en svingekjeme som er mntettet for å svinge i en longitudinal svmgemodus i sin lengderetning, og et stivt tilleggsmatenale påført svingekjernen for å øke dennes egenresonansfrekvens, karakterisert ved at tilleggsmatenalet er påført i et område omknng L/2 fra et sentralt område på svingekjernen, i dennes lengderetning, idet L er den totale lengde av svingekjernen