DE2255432B2

DE2255432B2 - Piezoelektrischer Resonator

Info

Publication number: DE2255432B2
Application number: DE2255432A
Authority: DE
Inventors: Raymond David Prof. New York N.Y. Mindlin (V.St.A.); Takashi Ikeda Osaka Nagata (Japan)
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1971-11-12
Filing date: 1972-11-09
Publication date: 1974-04-25
Also published as: JPS5124350B2; US3891872A; JPS5124351B2; DE2255432C3; FR2160199A5; GB1381177A; CA958124A; DE2255432A1; JPS4855688A; JPS4855689A

Description

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Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen ReSenator, der aus einer dünnen piezoelektrischen Platte mit einer Poissonschen Zahl von weniger als Vs besteht, so daß die Grenzfrequenz der Dickendehnungsschwingung kleiner ist als die der Dickenecherschwingung, wobei ein Elektrodenpaar an den Hauptoberflächen der dünnen piezoelektrischen Platte befestigt ist.

Die Resonanzfrequenz eines piezoelektrischen Resonators, der Dickenschwingungen ausführt, ist umgekehrt proportional zur Dicke des Resonators. Bei Verwendung eines dünnen Elements ist der Resonator demnach in einem hohen Frequenzbereich anwendbar.

Gewöhnlich hat jedoch ein solcher, Dickenschwingungen ausführender, piezoelektrischer Resonator den Nachteil, daß die unerwünschten Schwingungsamworten zu unterdrücken oder auszuschließen sind, die in und/oder nahe bei der gewünschten Dickenschwingungsantworl vorhanden sind.

Es. sind verschiedene Verfahren bekannt, um diesen Nachteil zu beseitigen. Zum Beispiel offenbart die USA.-Patentsclirift 2 249 933 ein Verfahren, bei dem die Elektrodenfiäche kleiner als die Hälfte der Fläche der piezoelektrischen Platte gemacht wird. Die USA.-Patentschrift 3 384 768 offenbart ein Verfahren, bei dem die, Resonanzfrequenz eines Bereiches des Resonators, in dem die Elektrode angebracht ist, kleiner ist als die des Bereiches, an dem keine Elektrode befestigt ist. Demgegenüber offenbart die USA.-Patentschrift 3 363 119 ein Verfahren zur Herstellung der Aussparung und der Elektroden an der piezoelektrischen Platte in der Art, daß die Resonanzfrequenz eines Bereiches der Platte, an dem die Elektrode befestigt ist, kleiner ist als die des Bereiches, an dem keine Elektrode angebracht ist.

Für einen piezoelektrischen Resonator mit einer Poissonschen Zahl von weniger als ein Drittel haben jedoch trotz großer Anstrengungen alle herkömmlichen Verfahren einschließlich der oben beschriebenen Verfahren keinen Erfolg gehabt bei der Unterdrückung unerwünschter Schwingungen des Dickendehnungsschwingungen ausführenden piezoelektrischen Resonators.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines piezoelektrischen Resonators, der Dickendehnungsschwingungen ausführt, wobei die unerwünschten Schwingungen unterdrückt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die ebenen Hauptoberflächen der dünnen piezoelektrischen Platte mit mindestens einer Aussparung versehen werden, daß das an den Hauptoberflächen der dünntn piezoelektrischen Platte angebrachte Elektrodenpaar an der Stelle der Aussparung angebracht ist und daß das Dickenverhältnis t zu r', d. h. Dicke des Aussparungsteiles zu Dicke des ebenen Teiles der dünnen piezoelektrischen Platte, im Bereich von 0,85 bis 0,91 liegt, so daß die von dem Aussparungsteil herrührende Dickendehnungsschwingung im Bereich des ebenen Teiles exponentiell gedämpft wird.

Eine Weiterentwicklung der Erfindung besteht darin, daß die Aussparung dadurch geschaffen wird, daß mindestens ein elastisches Plättchen mit einem Loch auf den Hauptoberflächen der dünnen piezoelektrischen Platte befestigt wird. Bei dieser Weiterentwicklung ist vorteilhaft, daß unerwünschte Schwingungsantworten wirksam unterdrückt werden können.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlich werden, in denen

Fig. 1 eine piezoelektrische Ansicht einer Ausführungsform eines piezoelektrischen Resonators gemäß der Erfindung ist,

F i g. 2 eine Schnittansicht eines piezoelektrischen Resonators gemäß der Linie 2-2 der F i g. 1 ist,

F i g. 3 eine graphische Darstellung von Dispersionskurven zur Erklärung der Arbeitsweise des piezoelektrischen Resonators gemäß der Erfindung ist.

F i g. 4 eine graphische Darstellung einer Frequenzantwortkurve eines piezoelektrischen Resonators gemäß der Erfindung ist,

F i g. 5 zum Vergleich eine graphische Darstellung der Frequenzantwortkurve eines herkömmlicher piezoelektrischen Resonators zeigt,

Fig. 6 bis 10 Schnittansichten anderer Ausfuhrungsformen eines piezoelektrischen Resonators ge maß der Erfindung zeigen und

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer weite rc η Abänderung des piezoelektrischen Resonator; der die Erfindung verkörpert, ^eigt.

Genaue Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform

In der Fig. 1 wird ein piezoelektrischer Rcson: tor gemäß der vorliegenden Erfindung durch d; Bezugszeichen 100 gekennzeichnet. Er besteht ai einer dünnen piezoelektrischen Platte 10 mit eine

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flachen Teil S einer Hauptoberfläche, einer Ausspa- dehnungsschwingung einer elastischen Platte. In rung 1 in dieser Hauptoberfläche und einer Elek- F i g. 3 ist an der Ordinate die normierte Frequenz Ω trode 6, die in der Aussparung angebracht ist. Eine aufgetragen, und an der Abszisse sind der Realteil Scbnittansicht des in Fig. 1 gezeigten piezoelektri- Re(Z) und der ImaginärteD Im(Z) der Wellenzahl sehen Resonators entlang der Linie 2-2 wird in S aufgetragen. In der ß-Re(Z)-Ebene gibt es drei Kur-Fig. 2 gezeigt, um den Aufbau des Resonators in ven~ die der Dickenscherschwingung TS, der Dickengenaueren Einzelheiten zu zeigen, wobei die gleichen dehnungsschwingung TE bzw. der Radialschwin-Teile wie in F i g. 1 mit den gleichen Bezugszeichen gung R entsprechen. Wenn die Poissonsche Zahl der gekennzeichnet sind. Ein Paar Elektroden 6 und 4 elastischen Platte kleiner ist als ¹Zs, wird die Frequenz ist auf beiden Seiten des Resonators 100 angebracht, io der Kurve TE niedriger als die der Kurve TS, und wobei die eine Elektrode 6 in der Aussparung 1 be- die Kurve TE verbindet sich mit der Kxirve TS auf festigt ist, wie es oben beschrieben wurde, und sich der _Q-Im(Z)-Ebene, wie es Fig. 3 zeigt. Diese Sidie andere Elektrode 4 auf der gegenüberliegenden tuation tritt nur ein, wenn die Dickendehnungs-Hauptoberfläche an einer der Elektrode 6 entspre- schwingung der elastischen Platte eine Poissonsche chenden Stelle befindet. 15 Zahl unter Vs hat, wie von R. D. Mindlin und

Als Material für die piezoelektrische Platte 100 M. A. M e d i c k im J. Applied Mechanics, Bd. 26,

eignen sich alle monokristallinen piezoelektrischen Trans. A. S. M. E. 81, Serie E, S. 561 bis 569, 1959,

Materialien und piezoelektrischen Keramikmate- bewiesen wurde.

rialien, wenn ihre Poissonsche Zahl kleiner als ein Es wird jetzt angenommen, daß eine Aussparung Drittel ist. Zum Beispiel sind piezoelektrische Blei- 20 auf der Oberfläche der elastischen Platte vorgesehen titanat-Keramiken für die piezoelektrische Platte des ist. Die Resonanzfrequenz der Dicken dehnungs-Resonators der Erfindung geeignet. Daß piezoelek- schwingung am Aussparungsteil kann erhöht sein irische Bleititanat-Keramiken, die gewisse Zusätze auf Grund der dort verringerten Dicke. Dieser Reenthalten, einen niedrigen Wert der Poissonschen sonanzpunkt wird durch den Punkt P in F i g. 3 geZahl wie 0,2 aufweisen, ist von Ikegami et al im 25 kennzeichnet. Wenn die Dickendehnungsschwingung Journal of the Acoustical Society of America, Bd. 50, des Aussparungsteiles gezwungen wird, am Punkt P Nr. 4, Teil 1, S. 1060 bis 1066, Oktober 1971, offen- zu schwingen, wird die Wellenzahl des flachen Teiles bart worden. Die Polarisationsrichtung der piezo- imaginär, wie am Punkt P' gezeigt wird. Die Schwinelektrischen Platte wird gemäß dem Weg der Dicken- gung, denn Wellenzahl imaginär ist, kann sich prakd;hnungsschwingung bestimmt, die zu einer Zeit er- 30 tisch nicht durch das elastische Medium ausbreiten, regt wird, zu der ein elektrisches Signal zwischen Dementsprechend wird die erzwungene Dickendehden Elektroden 6 und 4 angelegt wird. Zur prak- nungsschwingung am Aussparungsteil exponentiell tischen Verwendung der piezoelektrischen Keramik- im Bereich des flachen Teiles gedämpft. Mit anderen platte als Resonator läßt man die Polarisationsrich- Worten, die Dickendehnungsschwingung ist nur auf tung mit der Dickenrichtung der Keramikplatte zu- 35 den Aussparungsteil begrenzt. Alle Reflexionen und sammenfallen. Verluste der Schwingung treten deshalb nicht an der

Die Aussparung 1 wird nach einem geeigneten und Umfangskante der elastischen Platte auf, da dort

herkömmlichen mechanischen Bearbeitungsverfahren keine Schwingungen vorhanden sind. Dementspre-

hergestellt, wie z. B. durch Ultraschall- oder Sand- chend können die unerwünschten Schwingungsant-

strahlbearbeitung. Es kann auch ein chemisches Be- *o worten ausgeschlossen werden,

arbeitungsverfahren wie chemisches Ätzen und Das oben beschriebene Konzept der Erfindung

Photoätzen angewendet werden. Für die piezoelek- kann praktiziert werden durch Verwendung einer

trische Keramikplatte kann die Aussparung auch piezoelektrischen Platte mit einer Poissonschen Zahl

beim Formungsvorgang der Keramikplatte vor dem von weniger als Ί. In diesem Fall wirkt die piezo-

Sintern des Keramikmaterials hergestellt weiden. 45 elektrische Platte als elastische Platte ebenso wie als

Die Elektroden 6 und 4 werden an den Hauptober- piezoelektrische Platte.

flächen der piezoelektrischen Platte an der richtigen, Die Dickendehnungsschwingung an der Ausspa-

oben beschriebenen Stelle nach einem herkömm- rung kann leicht erzwungen werden durch Verwen-

lichen Verfahren angebracht unter Verwendung eines dung eines Paares von Elektroden 6 und 4, die an

gewöhnlichen leitenden Materials, wie z. B. durch 50 beiden Oberflächen der Platte am Teil 3 angebracht

Metallplattierung ohne Anwendung vor Elektrizität, sind, der der Aussparung 1 entspricht, wie es die

Metallaufdampfung und Metallanstrich mit anschlie- F i g. 1 und 2 zeigen. Wenn ein elektrisches Signal

ßendem Brennen. Zum Beispiel liefern Silber-Kupfer- mit einer Frequenz, die der Resonanzfrequenz der

Elektroden gute Ergebnisse, weil sie eine dünne und Dickendehnungsschwingung entspricht, zwischen den

gleichmäßige Dicke von weniger als 1 μηι und einen 55 Elektroden 6 und 4 angelegt wird, dann wird der

niedrigen Elastizitätsverlust aufweisen. Außerdem Aussparungsteil 3 gezwungen, Dickendehnungs-

kann die Form der Silber-Kupfer-Elektroden fein schwingungen auszuführen. Die Stärke der SchwJn-

eingestellt werden mit Hilfe des chemischen Ätzens gung hängt ab vom mechanischen Gütefaktor Q_K

und/oder des Photoätzens. Diese Silber-Kupfer-Elek· und vom Kopplungsfaktor k, der piezoelektrischen troden werden durch stromlose Kupferplattierung 60 Pjaite 10.

und Silber-Eintauchplattierupg aufgebracht. Als Beispiel wird nachfolgend eine Ausführungs-

Die Dicke der dünnen piezoelektrischen Platte 10 form des piezoelektrischen Resonators bei Verwen-

zwischen dem Aussparungsteil 3 und dem flachen dung der genannten piezoelektrischen Bleititanat-

Teil 5 ist sehr wichtig zum Ausschalten der uner- Keramiken beschrieben.

wünschten Schwingungsaniworten. Dieses wird nach- 65 Die physikalischen Konstanten der untersuchten

folgend genau zusammen mit einer theoretischen Be- Bleititanat-Keramiken werden in der Tabelle 1 an-

trachtung beschrieben. gegeben. In der Tabelle 1 bedeuten a, k„ Q_M, N_t, ρ

Die Fig. 3 zeigt die Dispersionskurven der Dicken- und E₃₃ die Poissonsche Zahl, den Kopplungsfaktor,

den mechanischen Gütefaktor, frequenzkonstante Dichte bzw. relative dielektrische Konstante.

Tabelle 1

σ 1/5

k, 0,46

Q_M 1100

N₁(Hz-TO) 2070

_e(kg/m^s) 7,87·10^:!

& ¹⁷°

wobei N_s, N_TS und N_TA Frequenzkonstanten der Dickenscherschwingung, der Dickendehnungsschwingung und der Dickendehnungsschwir.gung der Antiresonanz sind. In dem Fall der obengenannten piezoelektrischen Bleititanat-Keramiken wird die Gleichung (1) durch die folgende Gleichung dargestellt:

0,859 < (t/t¹) < 0,908

Zwei keramische Scheiben mit einem Durchmesser von 10 nun wurden unter Verwendung von B!eititanat-Keramik hergestellt, und zwei Type;" piezoelektrischer Resonatoren wurden gefertigt. Der eine hatte einen Aufbau, wie er in den F i g. 1 und 2 gezeigt wird, und der andere Resonator war ähnlich einem herkömmlichen piezoelektrischen Resonator geformt, mit teilweise begrenzten EIeI--roden auf beiden flachen Oberflächen der Platte. Die physikalischen Dimensionen dieser Resonatoren werden in der Tabelle 2 gezeigt, in der der Typ 1 der Resonator mit der Aussparung und der Typ 2 der herkömmliche Resonator sind.

Tabelle 2

d (mm) ...
?' (mm) ..
f (mm) ...

Type t

0,75

0.116

0,103

Type"¹

0.94 0.119 0.1 10

In der Tabelle 2 sind d, t' und t der Durchmesser der Elektrode, die Dicke des flachen Teils und die Dirke des Aussparangsteiis.

Frequenzantwortkurven dieser Typen 1 und 2 wurden genießen und werden in den F i g. A bzw. 5 gezeigt, in denen die Ordinate eine relative Antwort einer Admittanz des piezoelektrischen Resonators und die Abszisse eine Frequenz darstellen. Die Frequenzen f_R und J₄ der maximalen und der minimalen Admittanzen entsprechen den Resonanz- und Antiresonanzfrequenzen der Dickendehnungsschwingung.

Bei einem Vergleich der F i g. 4 und 5 ist deutlich zu sehen, daß es eine extreme Differenz bei diesen Frequenzantwortkurven gibt. In der Fig. 4 ist die zwischen dem Elektrodenpaar erzwungene Dickendehnungsschwingung auf den Aussparungsteil begrenzt, und es gibt keine andere induzierte Schwingungsantwort zumindest in dem Bereich zwischen der Resonanz- und der Anliresonanzfrequenz der Dickendehnungsschwingung. Im Gegensatz dazu zeigt die F i g. 5 viele Schwingungsantworten zwischen diesen Frequenzen der Dickendehnungsschwingung. Der Grund dafür ist, daß die Dickendehnungsschwingung nicht in den Bereich eingeschlossen werden kann, der die Elektroden trägt, und es werden viele Schwingungsantworten auf Grund der Reflexion an der Umfangskante des piezoelektrischen Resonators induziert.

Um die Dickendehnungsschwingung auf den Aussparungsteil zu begrenzen, ist das Verhältnis zwischen der Dicke /' des flachen Teils und der Dicke t des Aussparungsieiis wichtig. Es ist zweckmäßig, daß diese Beziehung die folgende Gleichung erfüllt:

(N_TJJ2N_S) < (iff) < {N_TS/N_TA) (1)

ίο Für den Durchmesser d des Aussparungsteils besteht keine so kritische Bedingung wie die Dickenbeziehung. Wenn ein Verhältnis von Durchmesser zu Dicke alt kleiner als 20 ist. kann der Durchmesser an den geforderten Impedanzwert angepaßt werden.

Die F ι g. 6 zeigt einen abgeänderten piezoelektrischen Resonator der vorliegenden Erfindung. Die Elektrode 4 ist auf die gesamte F¹ η ehe der gegenüberliegenden Oberfläche der piezoelektrischen Platte 10 aufgebracht. Gemäß der vorliegenden Erfindung

«ο ist die Elektrode 4 mit der größeren Fläche auch brauchbar für die obenerwähnte begrenzte Schwingung, da sie mindestens die Fläche enthält, die dem Aussparungsteil 3 entspricht.

Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungrfonn der vorliegenden Erfindung. In Fig. 7 wird die Aussparung t hergestellt unter Verwendung eine^r elastischen Scheibe 30 mit einem ! odi. d. ^K.. das Loch kann als Aussparung verwendet werden. Gemärt der vorliegenden Erfindung ist die Steigerung dor Resonr.n'-frequenz des Aussparungsteiles 3 eine der wichtigsten Bedingungen, und die elastische Scheibe 30 mit dem Loch kann erfolgreich angewendet werden, um eine solche Steigerung der Resonanzfrequenz zu er/idc"! Eine brauchbare elastische Scheibe 30 enthält ein Epoxyharz und eine mit Hilfe von Glasfarbe hergestellte Scheibe.

In Fig. 8 wird eine weitere Ausführungsform der \orliegerdcn Erfindung gezeigt. In diesem FaT, sind die in den Fig. 6 und 7 aczeig'en piezoelektrischen Resonatoren kombiniert.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführ-'ngsform der vorliegenden Erfindung. In diesem Fall ist ein Paar Aussparungen 1 und 7 auf beiden Seiten der Platte !0 im Aus^-parungsteil 3 vorgesehen, und die Elektroden 6 und 4 werden jeweils in den Aussparungen angebracht. Mit diesen zwei Aussparungen 1 und 7 kann die Dickendchnungsschwingung praktisch aui den Aussparungsteil 3 begrenzt werden, der vollständig von geringerer Dicke als der flache Teil ist Fine

so solche Konstruktion hat den Vorteil, daß die Oberfläche des flachen Teiles 5 an einem Tragsystem befestigt werden kann, da eine mechanische Verschiebung am flachen Teil 5 nicht existiert. Diese Konstruktion des piezoelektrischen Resonators ist besonders vorteilhaft für die Resonatorbefestigung, da dei flache Teil als Resonatorschutz verwendet werdet kann.

In Fig. 10 wird noch ein weiterer abgeänderte: piezoelektrischer Resonator gezeigt. In diesem FaI

sind die Resonatoren der Fig. 8 und 9 kombiniert Die Aussparung wird hergestellt unier Verwendung eines Paares elastischer Scheiben 30 und 31 mi einem Loch. Jede der elastischen Scheiben mit den Loch ist ähnlich der Scheibe, die in Verbindung mi

F i g.7 beschrieben wurde.

In F i g. 11 wird noch ein weiterer abgeänderte piezoelektrischer Resonator gemäß der Erfindun* gezeigt. Dabei ist ein Paar elektrischer Anschlüsse I

und 9 an den Oberflächen des flachen Teils 5 hergestellt, und sie sind elektrisch mit dem Elektrodenpaar 6 und 4 verbunden. Auf dem flachen Teil pflanzt sich die Dickendehnungsschwingung nicht fort, so daß das elektrische Anschlüßpaar 8 und 9 mit Drähten direkt angelötet werden kann, ohne daß man sich um eine Änderung der Schwingungsantwort zu kümmern brauchte. Beim Aufbringen des Elektrodenpaarec auf den Oberflächen der flachen Teile

ist es wichtig, die Elektrodenanschlüsse an einer Stelle anzubringen, an der sie einander nicht gegenüberliegen. Wenn die elektrischen Anschlüsse so angebracht werden, daß sie durch die Platte einander gegenüberliegen, dann wird eine neue Schwingung an dieser Stelle durch einen piezoelektrischen Effekt des flachen Teiles hervorgerufen. Diese erzwungene Schwingung wird zu den unerwünschten Schwingungsantworten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

2 255 Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer Resonator, bestehend aus einer dünnen piezoelektrischen Platte mit einer S Poissonschen Zahl von weniger als Vs, so daß die Grenzfrequenz der Dickendchnungsschwingung kleiner als die der Dickenscherschwingung ist, wobei ein Elektrodenpaar an den Hauptoberflächen der dünnen piezoelektrischen Platte be- ίο festigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die ebenen Hauptoberflächen der dünnen piezoelektrischen Platte (10) mit mindestens einer Aussparung (1 und/oder 7) versehen sind, daß das an den Hauptoberflächen der piezoelektri- is sehen Platte (10) befestigte Elektrodenpaar (4,6) an der Stelle der Aussparung (1 und/oder 7) befestigt ist und daß das Dickenverhältnis t zu f',

d. h. Dicke des Aussparungsteiles zu Dicke des ebenen Teiles der dünnen piezoelektrischen ao Platte (10), im Bereich von 0,85 bis 0,91 liegt, so daß die von dem Aussparungsteil herrührende Dickendehnungsschwingung im Bereich des ebenen Teiles exponentiell gedämpft wird.

2. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (1 und/oder 7) geschaffen wird, indem mindestens ein elastisches Plättchen (30 und/oder 31) mit einem Loch auf den Hauptoberflächen der dünnen piezoelektrischen Platte befestigt wird.