DE2131150C - Piezoelektrischer Breitenbiegeschwingungs-Resonator für Filteranwendungen nach dem Energieeinschlußprinzip - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Breitenbiegeschwingungs-Resonator für Filteranwendungen nach dem Energieeinschlußprinzip.

Piezoelektrische Resonatoren nach dem Prinzip des Energieeinschlusses sind bekannt. Bei den bekannten Resonatoren, die aus einer Platte aus piezoelektrischem Kristall (z. B. Quarz) oder piezoelektrischer Keramik mit einem Paar kleiner, auf gegenüberliegenden Plattenflächen liegenden Elektroden bestehen, laufen die Schallwellen in Richtung, die parallel zur Richtung der kleinsten Ausdehnung der .Resonatorplatte liegen. Es waren nur Betriebsweisen bekannt, bei denen die Schwingung durch Dickenscherung/Dickendrehung erfolgte (W. Shockley, D. R. Cur ran and D. J. Koneva 1, Trapped-Energy Modes in Quartz Filter Crystals, Journal Acoustical Soc. of America, Vol. 41, S. 981 bis 993, April 1967). »Energieeinschluß« bedeutet, daß die akustische Energie in einem Gebiet eingeschlossen ist, das nicht viel größer ist als das Elektrodengebiet. Außerhalb des Elektrodengebietes nimmt die akustische Energiedichte exponentiell ab. Daher können zwei einzelne Scheiben mittels einer ausrei-

chenden Entfernung getrennt werden, so daß keine nigätens in einem Teil, der von den Plattenenden wesentliche Kopplung mehr auftritt Sie können auch einen Abstand besitzt, piezoelektrische Eigenschaften näher zusammengebracht werden und so eine kon- besitzt und in Dehnungsschwingungen parallel zur trollierbare Kopplung ergeben. Im fetzten Fall ergibt Richtung der Plattenbreite anregbar ist, wenn es die Verkopplung von zwei Stellen ein zweikreisiges 5 einem elektrischen Wecbselfeld ausgesetzt wird, und Bandpaßfilter. Im ersten Fall, bei dem die Resonato- indem eine zweite langgestreckte Platte, die auf der ren akustisch isoliert sind, kann die Kopplung über ersten Platte Fläche auf Fläche liegend so befestigt elektrische Schaltungen erfolgen, um ein Zweipol- ist, daß sie durch eigene Festigkeit oder entgegenge-Filterverhaiten zu erhalten. Ein Koppelfilter im setzte Schwingungen die Breitendehnungsschwin-Dickenscher-Betriebistin den Schriften M. On oe und 10 gungen der ersten Platte unterdrückt und dadurch H. J u m ο η j i, Analysis of Piezoelectric Resonators Breitenbiegeschwingungen erzeugt; daß eine Elektro-Vibrating in Trapped-Energy Modes, Electronics and deneinrichtung an der ersten Platte, so befestigt ist, Communications in Japan, Vol. 48, Nr. 9, September daß ein elektrisches Wechselfeld an dem piezoelektri-1965, S. 84 bis 93; R. A. S y k e s , W. L. S m ith, sehen Gebiet der ersten Platte entfernt von ihren En-W. J. Spencer, Monolithic Crystal Filters, 1967, 15 den in einer solchen Richtung auftritt, daß ohne die IEEE International Convention Record, Part II, S. 78 von der zweiten Platte ausgeübte Rückhaltung bis 93, beschrieben (s. auch die deutsche Offenle- Breitendehnungsschwingungen erzeugt wurden, und gungsschrift 1 416 034). daß die Elektrodeneinrichtung mit dem daran an-

Andere bekannte piezoelektrische Kristalleinrich- grenzenden piezoelektrischen Material und mit der tungen (Aufsatz von S. Kelly in »Electronic Engi- 20 zweiten Platte einen Breitenbiegeresonator bildet, neering«. Band XXUI, April 1951, Heft 278, S. 134 Das hat den Vorteil, daß unter Wahrung der Vor-

bis 137), sogenannte »Bimorphe«, die bei Tonabneh- teile der Energieeinschlußresonatoren nach dem Dik-. meranwendungen häufig verwendet werden, führen kenschwingungsprinzip auf Grund des bei Biege-Längen-Dicken-Biegeschwingungen aus, während der schwingungen größeren Hebelarmes und der geringeerfindungsgemäße Gegenstand Breiten-Dicken- 35 ren Steifigkeit einer Biegung gegenüber einer Deh-Biegeschwingungen ausführt. Ein Encrgieeinschluß, nung/Pressung die Schwingfrequenz niedriger liegt, der für die Erfindung wesentlich ist, findet aber nur Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfin-

bei Breiten-Dicken-Biegeschwingungcn statt, nicht bei dung, die verbesserte Durchlaßeigenschaften bei FiI-Längen-Dicken-Biegeschwingungen. teranwendungen ergibt, sind weitere Elektrodenein-

Die deutsche Patentschrift 1 248 740 zeigt ein pie- 30 richtungen vorgesehen, die an der ersten Platte so zoelektrisches Element, das zu sattelförmigen Biege- befestigt sind, daß ein elektrisches Wechselfeld durch schwingungen angeregt werden kann. Auch hier ist ein piezoelektrisches Gebiet der ersten Platte entfernt ein Energieeinschluß nicht gegeben. In beiden Fäl- von ihren Enden in einer Richtung auftritt, die ohne len ist zudem eine Zusammenstellung von mehreren die von der zweiten Platte ausgeübte Rückhaltewir-Resonatoren zu Filtern, wenn überhaupt, nur mit 35 kung Breitendehnungsschwingungen erzeugen würde, aufwendigen Zusatzeinrichtungen möglich. und jede der Elektrodeneinrichtungen bildet mit dem

Dagegen bieten die weiter oben beschriebenen mo- angrenzenden piezoelektrischen Material und mit der nolithisch gekoppelten Filter die Vorteile einer klei- zweiten Platte jeweils einen Breitenbiegeschwinnen Größe, Verläßlichkeit und geringer Kosten. Je- gungsresonator, und es ist ein Abstand zwischen bedoch beschränken sich die Filter auf Frequenzen von 40 nachbarten Resonatoren vorgesehen, ausreichend im allgemeinen über 4 MHz. klein für eine elastische Kopplung zwischen den be-

Es werden aber sehr häufig auch Bandpaßfilter be- nachbarten Resonatoren, wodurch der Resonator für nötigt, die bei niedrigeren Frequenzen arbeiten. Ge- Filteranwendungen eine Bandpaßcharakteristik ermaß dem Stand der Technik sind diese aus Induktivi- zielt.

täten und Kapazitäten gebildet oder verwenden eine 45 Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung Vielzahl einzelner piezoelektrischer keramischer Re- ist eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen, die die sonatoren, die zu einem Filter verbunden sind (siehe Platten an ihren Endbereichen erfaßt, um längenbczoz. B. die USA.-Patentschrift 3 423 700). Nachteilig gene Schwingungen zu unterdrücken. Dadurch werist die große Anzahl individueller Komponen- den ungewünschte Rcsonanzstellen vermieden. ten, die einzeln gehandhabt werden müssen und 50 Noch eindeutigere Schwingungen lassen sich mitdabei die Größe und die Kosten erhöhen, aber die tels einer anderen Weiterbildung erzielen, bei der die Zuverlässigkeit vermindern. Außerdem sind die be- zweite Platte ähnlich der ersten Platte ausgebildet ist kannten piezoelektrischen Resonatoren bei einem und eine Elektrodcncinrichtung, wie auf der ersten Betrieb mit harten Stoßen und Vibrationen schwierig Platte, darauf befestigt ist.

zu befestigen. 55 Zwei weitere Ausbildungen der Erfindung zeigen

Hs ist Aufgabe der Erfindung, einen Resonator verschiedene Befestigungsmöglichkeiten für die Elekfür Filteranwendungen zu schaffen, der auch bei troden, während bei noch einer weiteren Ausbildung starken mechanischen Erschütterungen und Schwin- eine Metallplatte zwischen der ersten und der zweigungen zufriedenstellend arbeitet, und mit dem sich ten Platte angeordnet ist, die gemäß einer anderen in einfacher und zuverlässiger Weise mit monolithi- 60 Ausführungsform elektrische Verbindungen zu den scher Kopplung ein Filter ergibt, das auch bei niedri- Elektrodeneinrichtungen herstellt, die auf benachbargen Frequenzen arbeitet, z.B. zwischen einigen hun- ten Flächen der ersten und zweiten Platte befestigt dert Hevtz bis vielleicht 20 kHz. sind. Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfin-

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge- dung kann die Metallplatte auch selbst als Elcktrolöst, daß der piezoelektrische Breitenbiegeschwin- 65 deneinrichtung für benachbarte Flächen der ersten gungs-Rcsonator für Filteranwendungen nach dem und zweiten Platte wirken.

Energieeinschlußprinzip im Biegeschwiiigungsbctrieb Eine vereinfachte Konstruktion ergibt sich, wenn

arbeitet, indem eine erste langgestreckte Platte we- gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung

die Elektrodeneinrichtung an den Hauptflächen der an die Platte 3. Falls die Dielektrizitätskonstante des ersten Platte befestigt ist und die zweite Platte eine Materials groß ist, ist es vorzuziehen, die Gegenelek· Metallplatte ist, die gemäß einer weiteren Ausgestal- troden direkt an jede Platte gegenüber den Elektro tung eine elektrische Verbindung zur Elektrodenein- den 7,8 anzubringen, oder es können die nebenlie richtung der benachbarten Fläche der ersten Platte 5 genden Flächen der beiden Platten mit einem Elekschafft oder gemäß einer anderen Ausgestaltung trodenmaterial auf ihren gesamten Flächen beschicliselbst als Elektrodeneinrichtung für die benachbarte tet werden. Die Metallplatte 4 schafft dann die elek· Fläche der ersten Platte wirkt. trischen Verbindungen zu solchen Gegenelektroden.

Gemäß weiteren günstigen Ausführungsformen der Die Anordnung 1 kann mittels eines Klebstoffes

Erfindung ist die erste Platte aus Bleizirkonat—Blei- io wie z. B. Epoxydharz, zusammengehalten werden titanat zusammengesetzt oder besteht aus einer Um gute elektrische Kontakte zwischen der Kontakt-A'-Schnitt-Quarz-Kristallplatte, deren Breite parallel platte 4 und Gegenelektrodeneinrichtungen auf anlie zur y-Achse verläuft. genden Flächen der Platten 2 und 3 sicherzustellen

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungs- kann die Epoxydmasse mit leitenden Partikeln vermöglichkeiten der neuen Erfindung ergeben sich aus 15 setzt sein.

den Darstellungen von Ausführungsbeispielen sowie Eine andere Möglichkeit, die Platten aneinandei

aus der folgenden Beschreibung. Es zeigt zu befestigen, besteht darin, daß die Platten mit einei

F i g. 1 einen Resonator, der entsprechend der Er- Schicht bedeckt werden, die aus einem Trägermefindung konstruiert und in einer Testschaltung an- dium mit darin suspendierten pulverisiertem Glas geordnet ist, 20 und pulverisiertem Silber besteht, die Anordnung

F i g. 1 a eine geeignete Ausrichtung einer Quarz- dann zusammengedrückt und danach auf eine Temkristallplatle, die für den Resonator in Fig.] ver- peratur erhitzt wird, die ausreicht, um das Glas zu wendet werden kann, sintern. Dieses Verfahren ist in der USA.-Patent-

Fig.2 wechselnde Ausrichtungen von Polungs- schrift 2771 969 ausführlich beschrieben. Wenn dieachse und korrespondierender Elektrodenverbindun- as ses Verfahren durchgeführt wurde, können getrennte gen für Keramikplatten, die bei der Anordnung nach Gegenelektroden entfallen, da das erhitzte Silber Fi g. 1 verwendet werden können, einen innigen Kontakt mit den Oberflächen der Plat-

F i g. 3 die Art und Verteilung der Breitenbiegear- ten 2,3 herstellt. Es ist günstig, die gleiche Schicht zu beitsweise dieser Erfindung, benutzen, um die Elektroden 7,8 zu bilden. Wenn

F i g. 4 einen Resonator mit einer anderen Elektro- 30 eine äußere Verbindung zu den Gegenelektroden denanordnung, nicht erforderlich ist, kann die Kontaktplatte 4 fort-

F i g. 5 zwei Resonatoren des in F i g. 1 gezeigten fallen.
Typs, die ein gekoppeltes Filter bilden, Die Elektrode 7 ist durch einen dünnen Draht 10

F i g. 6 zwei Resonatoren mit einer anderen Elek- mit dem Anschluß 14 verbunden. Der Draht kann an trodenanordnung. die ein gekoppeltes Filter bilden, 35 der Elektrode durch leitenden Klebstoff oder durch und ein Lötmittel befestigt werden, vorzugsweise etwa ein

Fig.7 vier Resonatoren, die ein gekoppeltes Filter Viertel des Weges von einer der Kanten der Platte ähnlich der F i g. 5 bilden. nach innen. Die E'iktrode8 ist mittels des Drahtes

Fig. 1 zeigt eine Resonatoranordnung 1, die ge- 11 mit dem Anschluß 15 verbunden. Die Kontaktmäß der Erfindung konstruiert ist. Sie enthält zwei 40 platte 4 ist in der Darstellung mit dem Anschluß 16 Platten 2,3, die in Flächen- zu Flächenlage mit einer verbunden, jedoch kann diese Verbindung unter Umdünnen Metallkontaktplatte4 zwischen sich aneinan- ständen entfallen, wie in Verbindung mit Fig.2 näder befestigt sind. Die Platten 2,3 können passend her beschrieben werden wird. Die Anschlüsse sind in aus einem piezoelektrischen Kristall geschnitten oder schematischer Form dargestellt In der Praxis könaus geeignetem keramischen Material gebildet sein 45 nen geeignete Anschlüsse von den Wänden eines und in der Dickenrichtung, wie im folgenden im Zu- nicht gezeigten Schutzgehäuses und gleichzeigen Träsammenhang mit der Fig.2 beschrieben, polarisiert gers für die Anordnung 1 gehalten werden und sich sein. Unter den geeigneten keramischen Materialien durch sie erstrecken.

sind feste Lösungen von Bleizirkonat und B'«->titanat, Falls die Platten 2 und 3 aus keramischem Mate-

Bariumtitanat und Bleimetaniobat. Eine modifizierte 5° rial bestehen, können sie durch Benutzung der Elek-Bleizirkonat-BIeititanat-Znsammensetzung, die sich troden 7,8 and die über die Platte 4 angeschlossenen für diesen Gebrauch besonders eignet, ist in den Gegenelektroden polarisiert werden. Dies hat zur USA.-Patenischriften 3006857 und 3 179 594 offen- Folge, daß lediglich die Teile der Platten 2,3 zwibart. sehen den Elektroden 7,8 und nahe darum herum

Die Elektrode 7 ist in der Mitte der unbedeckten s polarisiert und dadurch piezoelektrisch werden. Al-Fläche der Platte 2 befestigt, und die Elektrode 8 ist ternativ können vorübergehend Elektroden an die in der Mitte der Platte 3 befestigt. Die Elektroden Platten angebracht oder gegen sie gepreßt werden, können mittels verschiedener bekannter Elektroden- um mehr oder das gesamte keramische Material zu techniken, wie der Vakuummetallablagerungstech- polarisieren. FaBs nicht die Hochtempei rverbinnik, gebildet werden. Falls die Platten 2,3 aus Mate- &> dung der Anordnung benutzt wird, können die Platrial mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante be- ten vor dem Zusammenbringen polarisiert werden, stehen, kann die Kontaktplatte 4 als Gegenelektrode Der Prozeß des Polarisierens einer keramischen

für die nebenliegenden Flächen der beiden Platten Platte ist bekannt und braucht bier nicht näher bewirken. Die Platte 4 und die Elektrode 7 stellen eine schrieben zu werden. Kurz gesagt wird dabei eine ge-Elektrodeneinrichtung zum Anlegen eines elektri- 65 eignet hohe Gleichspannung ein« vorgeschriebene sehen Wechselfeldes an einen Teil der Platte 2 dar. Zeh lang an die Elektroden der Platte angelegt. Für Die Platte 4 und die Elektrode 8 bilden eine Emrich- die Anordnung nach F i g. I bestehen verschiedene tung zur Anlegung eines elektrischen Wechselfeldes Möglichkeiten, die Elektroden für eine

Polung und den Gebrauch anzuschließen. Diese Möglichkeiten sind in F i g. 2 dargestellt.

In Fig.2a sind die Platten 2,3 während des Polens in Serie geschaltet. Die Verbindung von dem Anschluß 16 zum Mittelpunkt der Polarisierungs-Gleichspannungsversorgung 19 ist nicht erforderlich, aber wünschenswert, weil sie für gleich große Spannungen über den beiden Platten sorgt, selbst dann, wenn diese verschiedene Ableitwidcrslände haben. Eine so polarisierte Anordnung wird für den Gebrauch parallel geschaltet, wie in F i g. 2 b gezeigt. Eine Platte ist daher beim Gebrauch entgegengesetzt piezoelektrisch im Hinblick auf die andere.

Fig.2c zeigt die andere Polungsverbindung, bei der die Pliitlcn parallel sind. Line so gepolte Anordnung wird für die Benutzung in Reihe geschaltet, wie aus Fig.2d zu sehen. Wiederum ist eine Platte entgegengesetzt piezoelektrisch im Hinblick auf die andere.

In Fig.2d wird der Anschluß 16 nicht benutzt. Wenn daher eine Serienarbeitsweise erwünscht ist, kann der Anschluß 16 vollständig entfallen, und eine zweitweise Verbindung kann während der Polung an die Platte 4 angeschlossen werden.

Die Wahl zwischen Parallel- und Serienverbindung erfolgt auf Grund der gewünschten elektrischen Impedanz. Die Serienverbindung hat die vierfache Impedanz der Parallelvcrbindung. In F i g. 1 ist eine Serienverbindung gezeigt.

Wenn das Wcchselspannungssignal vom Generator 20 /wischen den Anschlüssen 14 und 15, wie in I- ig. 1 gezeigt, angelegt wird, bewirkt der bekannte piezoelektrische Effekt, daß das piezoelektrische Malerial im Gebiet zwischen den Elektroden in jeder Platte synchron mit dem Signal zu Schwingungen neigt. Für keramische, in der beschriebenen Weise gepolte Platten besteht die interessierende Schwingneigung darin, daß sich die Platte in Länge und Breite abwechselnd ausdehnt und zusammenzieht. Da jedoch die eine Platte piezoelektrisch entgegengesetzt ist zur anderen, wirkt jede Platte als Rückhaltceiurichuing für die andere, wodurch eine Dehnungsschw mgung in Länge und Breite \eiiiindert wird. Ls treten daher Biegeschwingungen auf. Wenn die Fieqiunz des Generators 20 über einen ausreichend großen Bereich variiert wird, können zahlreiche Bicgcre-MMianzcn nacheinander erregt und als Stromspitzen -i(-ht'nar gemacht werden, die vom Meßgerät 21 angezeigt werden. Wenn die Platten aus keramischem Material bestehen und die Anordnung 1 an den Enden frei ist, ist die niedrigste Resonanzfrequenz eine Längenbiegungsresonanz. Bei höheren Frequenzen können Längcnbicgungsober^chv.rnguiigen erregt werden. Bei einer Frequenz erheblich über der Längcnbicgungsgnnidrcsonanz kann eine Breitcnbicgungsrcsonanz erregt werden. Diese Schwrngungsart wird bei der vorliegenden Erfindung benutzt. Breitenbiegungsobersehwingnngcn können ebenfalls benetzt werden. Bedingt dnrch Encrgiecinschluß treten die Brei;enbicgmTgsschwingHngen rrar unter und relativ nahe den Elektroden auf. Daher bilden die Elektroden 7, 8 zu\ammen mit dem dazwischenliegenden pic/»K-:ektrischen Material und dem zurückhaltenden I influß jeder Platte auf die andere einen Brcitenbie- !•uncvrcsonatoT.

In Fig. I kann die Platte3 entfallen. In diesem I all wird die I>ickc der Platte 4 vorzugsweise grö-IVnmdnungsmiiUtg auf die der Platte 2 erhöht. Bei ilic ei Anordnung wirkt die Platte 4 al«. Rückhaltccinriehtung für die Platte 2, und ähnliche Breitenbiegungsresonanzen können erzeugt werden.

F i g. 3 illustriert in stark übertriebener Form die Art und Verteilung der Breitenbiegeschwingungen hiil Energieeinschluß im Grund resonanzbetrieb.

F i g. 3 a ist eine Schniltansicht durch den Resonator entlang den Linien 3a-3« der Fig. 1. Die ausgezogenen Linien zeigen die größte Biegeauslenkung in einer Richtung, während die gestrichelten Linien den

ίο entgegengesetzten Höchstwert der Auslenkung zeigen.

F i g. 3 b, eine Ansicht entlang den Linien 3fr-3f> in Fig. 1, gerade hinter der Kante der Hlektrode7, zeigt eine ähnliche Biegung, jedoch mit einer stark reduzierten Amplitude.

F i g. 3 c, eine Ansicht entlang der Linie 3r-3c in Fig. 1, weit entfernt von den Elektroden, zeigt keine erkennbare Auslenkung.

Die Länge der Platten sollte so ausgewählt werden, daß Längenbiegeoberschwingungen nicht nahe der erwünschten Breitenbiegeresonanz auftreten. Darüber hinaus können Längenbicgcschwingungcn mittels Kissen oder Blöcken aus schwingungsabsorbicrcndcm Material 25 gedämpft werden, die an den Endbercichcn der Anordnung! angebracht oder gegen sie gepreßt werden, wie in F i g. 1 gezeigt. Kissen 25 können aus Silikongummi bestehen, der eine stark schwingungsabsorbierende Eigenschaft hat, z. B. SYLGARD No. 18S, hergestellt von Dow Corning.

Die Kissen können außerdem die Haltecinrichtung für die Anordnung in einem nicht gezeigten Schutzgehäuse bilden. Dies entlastet die Leitungen 10, 11 davon, die Anordnung zu tragen, und schafft einen Resonator, der einer starken mechanischen Erschütterung und Vibration ohne Beschädigung widerstehen kann.

Da die Breitenschwmgungswcisc beim Betrieb dieses Resonators benutzt wird, kann die Anordnung mit einer leichten Übergröße in der Breite hergestellt werden, und die endgültige Trequcnzjusticrung kann durch Schleifen oder andere Arten der Materialcntlcmung von den Kantenobeiflächen in der Nähe des Resonator erfolgen.

Diese Erfindung ist nicht uui die Benutzung keramischer PlaUcn beschränkt. Jedes geeignete piezoelektrische Material kann benutzt werden, z. B. Platten aus A'-Schnitt-Ouar/, wie in Fig. 1 a gczLigi. Mit zu der .Y-Achse senkrechten Elektroden, wie gezeigt, ergibt sich als einzige piezoelektrische Erregung in

So Quarz eine Dehnung entlang der Y- und X-Achse. Die Platten sind so orientiert, daß die V-Achse parallel zur Breite verläuft. Dadurch können die erwünschten Breitenbiegeschwingungen induziert werden. Diese Anordnung vermindert Schwierigkeiten durch Längenbiegescrrwingungen, da eine piezoelektrische Erregung entlang der Z-Achse nicht existiert. Für Paraflclverbindungen sollten zwei identische Platten übcreinandergestapelt werden. Für eine Serienvcrbrndung sollte eine Platte umgedreht werden, um den erwünschten entgegengesetzten piezoelektrischen Effekt zu erhalten.

In allen Figuren ist gezeigt, daß sich die Elektroden bis an die Kanten der Oberflächen, auf denen sie montiert sind, erstrecken. Jedoch kann es aus Heros Stellungsgründen wünschenswert sein, die Elektroden etwas kleiner zu gestalten, so daß sie jene Kanten nicht ganz erreichen. In den Ausführungen dci F i g. 1, 5, 7 kann diese Reduzierung der Elektroden

ausdehnung auch deshalb erwünscht sein, weil sie die clektromcchanische Kopplung des Resonators etwas verbessert.

Bei Anwendungen, wo eine höhere elektrische Impedanz erwünscht ist, können die piezoelektrischen Platten mit Elektroden auf den Kantenflächen, wie in Fig.4 gezeigt, verschen werden. Falls die Platten 2,3 aus Kristallmatcrial geschnitten sind, muß die Orientierung passend ausgewählt sein, um eine entgegengesetzte piezoelektrische Wirkung in der Breitenschwingerweise zu erzeugen. Wenn die Platten keramisch sind, sollten sie über die Breite entgegengesetzt polarisiert sein. Längenbiegeresonanzen können durch Dämpferkissen gemäß Fig. 1 unterdrückt werden.

Eine der Platten in F i g. 4 kann aus nicht piezoelektrischem, isolierendem Material sein. In diesem Fall sind die Elektroden vorzugsweise auf die piezoelektrische Platte beschränkt.

F i g. 5 zeigt zwei Resonatoren ähnlich dem Resonator der Fig. 1, jedoch unter Verwendung nur einer piezoelektrischen Platte, die zusammen ein gekoppeltes Filter bilden. Eine piezoelektrische Keramikoder Kristallplatte 2 ist mit einer Metallplatte 32 verbunden, die elektrisch als gemeinsame Gegenelektrode wirken kann oder als Kontaktplatte für eine Gegenelektrodeneinrichtung, die auf der unteren Fläche der Platte 2 abgelagert sein kann. Mechanisch wirkt die Platte 32 als Rückhalteeinrichtung für die piezoelektrische Platte 2, um deren Ausdehnung und Zusammenziehung in Breitenrichtung in eine Biegung zu überführen.

Die Elektrode 33 auf der oberen Fläche der Platte 2 bildet mit dem piezoelektrischen Material nahe der Elektrode und der Rückhalteeinrichtung 32 einen Breitenbiegeresonator, der der Eingangsresonator ist. In ähnlicher Weise wird an der Elektrode 36 ein Ausgangsresonator gebildet.

Ein dünner Draht 39 verbindet die Elektrode 33 mit dem Eingangsanschluß 40. und ein Draht 41 verbindet die Elektrode 37 mit dem Ausgangsanschluß 42. hin gemeinsamer Eingangs-Ausgangs-Ansdiluß 43 ist mit der Platte 32 verbunden. Eine Signa'.qiielle 45 mit einem Widerstand 46, der für einen geeigneten Abschluß des Filters ausgewählt ist, steht mit dem Resonator, der von der Elektrode 33 gebildet wird, über die Eingangsanschlüsse 40, 43 in Verbindung. Der Abschlußwiderstand 47 ist mit dem Resonator, der von der Elektrode 36 gebildet wird, über die Ausgangsanschlüsse 42, 43 verbunden. Die Anordnung kann auf Dämpfungskissen, wie in F i g. 1 gezeigt, gehalten werden, um Längenbiegeschwingungen zn unterdrücken.

Bedingt durch die Nähe der Resonatoren besteht zwischen ihnen eine elastische Kopplung. Wenn der Emgangsresonator von dem Generator 45 bei der ausgewählten Breitenresonanzfrequenz oder nahe daran erregt wird, wird Energie elastisch auf den Ausgangsresonator übergekoppelt, der ein elektrisches Signal über der Last 47 erzeugt Wenn der Abstand zwischen den Resonatoren ausreichend klein ist, schafft die kritische oder überkritische Kopphing Bandpaßeigenschaften.

F i g. 6 zeigt ein Filter mit zwei Resonatoren der in F i g. 4 gezeigten Bauart, um eine höhere elektrische Impedanz zu erhalten. Die Anordnung kann in der gleichen Weise, wie in F i g. I gezeigt, gehalten werden.

Fig.7 zeigt ein Filter ähnlich dem Filter der F i g. 5, jedoch mit vier Resonatoren. Die Platte 2 aus Kristall oder Keramik ist an der Metallplatte 32, wie in Fig. 5, befestigt. Die vier Resonatoren enlsprechen den Elektroden 50, 51, 52, 53. Die Ausführung eines gekoppelten Filters mit mehr als zwei gekoppelten Resonatoren erfordert gewöhnlich, daß die zwischenliegenden Resonatoren kurzgeschlossen werden. Daher sind die Elektroden 51, 52 über Leiiungcn 56, 57 und Anschlüsse 58, 59 an Masse gelegt.

Eine Metallrückhaltcplattc32 in den Fig.5 und 7 kann durch eine piezoelektrische Platte ersetzt werden, mit oder ohne Verwendung einer Kontaktplatte, wie der Platte4 in Fig. 1. Im letzteren Fall können getrennte Gegenelektroden für jeden Resonator verwendet werden, die eine Serienbetriebsweise der piezoelektrischen Platten bei jedem Resonator ermöglichen. Mit einer gemeinsamen Gegenelektrode sollte die Parallelverbindung benutzt werden, um die Erdung der Gegenelektrode zuzulassen. In einer noch weiteren Abänderung kann die Platte 32 durch eine nicht leitende, nicht piezoelektrische Platte ersetzt werden, und auch hierbei ist es möglich, getrennic Gegenelektroden zu verwenden.

Gemeinsame und getrennte Gcgenelektroden sind im wesentlichen äquivalent. Gemeinsame Elektroden bieten Vorteile bei der Fabrikation und Installation, während getrennte Elektroden eine unerwünschte Kopplung zwischen Eingang und Ausgang über gemeinsame Impedanz vermindern. Ein leicht unterschiedlicher Resonatorenabstand kann für gleiche Bandbreite in beiden Fällen erforderlich sein.

Die Resonatoren und Filter dieser Erfindung unterscheiden sich strukturell von bekannten Einfangenergieresonatoren und -koppelfiltern dadurch, daß die Elektroden dieser Erfindung sich bis an beide Kanten oder bis in die Nähe der Kanten der Oberfläche erstrecken, an der sie befestigt sind.

Funktionell unterscheidet sich die Wirkung dei Resonatoren dieser Erfindung von bekannten darin. daß die vorliegenden Resonatoren in ihrer ausgewählten Betriebsweise Biegeschwingungen ausführen, wohingegen Einfangenergieresonatoren der bekann ten Art in ihrer ausgewählten Betriebsweise Schwingungen in Dickenrichtung ausführen.

Für beste Resultate sollten Breite und Dicke dei Filteranordnungen über die Länge in der Nachbar schaft der Resonatoren innerhalb sehr kleiner Pro zentwerte einheitlich sein, verglichen mit der prozen tualen Bandbreite der Filter. Abweichungen vor einer einheitlichen Länge der Anordnung haben da gegen wenig oder keinen Effekt auf die Filterwir kung. Im Gegensatz dazu brauchen bei gekoppelte!

Filtern der Dickenschwingweise (Stand der Technik die seitlichen Ausdehnungen nicht sorgfältig kontrol liert zu werden, jedoch muß die Dicke in sehr enger Grenzen gehalten werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (14)

Patentansprüche:

1. Piezoelektrischer Breitenbiegeschwingungs-Resonator für Filteranwendungen nach dem S Energieeinschlußprinzip, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator (1) im Biegeschwingungsbetrieb arbeitet, indem eine erste langgestreckte Platte (2) wenigstens in einem Teil, der von den Plattenenden einen Abstand besitzt, piezoelektrische Eigenschaften besitzt und in Dehnungsschwingungen parallel zur Richlungsbreite der Platte anregbar ist, wenn er einem elektrischen Wechselfeld ausgesetzt wird, und indem eine zweite langgestreckte Platte (3 oder 4), die auf der ersten Platte (2) Fläche auf Fläche liegend so befestigt ist, daß sie durch eigene Festigkeit oder entgegengesetzte Schwingungen die Breitendehnungsschwingungen der ersten Platte (2) unterdrückt und dadurch Breitenbiegeschwingungen erzeugt, daß eine Elektrodeneinrichtung (7) an der ersten Platte (2) so befestigt ist, daß ein elektrisches Wechselfeld an dem piezoelektrischen Gebiet der ersten Platte (2) entfernt von ihren Enden in einer solchen Richtung auftritt, daß ohne die von der zweiten Platte ausgeübte Rückhaltung Breitendehnungsschwingungen erzeugt werden, und daß die Elektrodeneinrichtung (7) mit dem daran angrenzenden piezoelektrischen Material und mit der zweiten Platte einen Breitenbiegeresonator bildet.

2. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch weitere Elektrodeneinrichtungen (33, 36), die an der ersten. Platte (2) so befestigt sind, daß ein elektrisches Wechselfeld durch ein piezoelektrisches Gebiet der ersten Platte entfernt von ihren Enden in einer Richtung auftritt, die ohne die von der zweiten Platte ausgeübte Rückhaltewirkung Breitendehnungsschwingungen erzeugen würden, und daß jede der Elektrodeneinrichtungen (33, 36) mit dem angrenzenden piezoelektrischen Material und mit der zweiten Platte jeweils einen Breitenbiegeschwingungsresonator bildet, und daß der Abstand zwischen benachbarten Resonatoren ausreichend klein für eine elastische Kopplung zwischen den benachbarten Resonatoren ist, wodurch der Resonator für Filteranwendungen eine Bandpaßcharakteristik erzielt.

3. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Dämpfungseinrietiiung (25), die die Platten (2, 3,

4) an ihren Endbereichen erfaßt, um längenbezogene Schwingungen zu unterdrücken.

4. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Platte (3) ähnlich der ersten Platte (2) ausgebildet ist und eine Elektrodeneinrichtung (8), wie auf der ersten Platte (2), darauf befestigt ist.

5. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodeneinrichtungen (7, 8) an den Hauptflächen der beiden Platten (2, 3) befestigt sind.

6. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodeneinrichtungen (7, 8) an den langen Kantenflächen der beiden Platten befestigt sind (F i g. 4).

7. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Metallplatte (4) zwischen der ersten (2) und der zweiten (3) Platte.

8. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch?, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (4) elektrische Verbindungen zu den Elektrodeneinrichtungen (7, 8) herstellt, die auf benachbarten Flächen der ersten und zweiten Platte (2,3) befestigt sind.

9. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch?, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (4) als Elektrodeneinrichtung für benachbarte Flächen der ersten und zweiten Platte (2,3) wirkt.

10. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodeneinrichtung (7) an den Hauptflächen der ersten Platte befestigt ist und daß die zweite Platte (3,4) eine Metallplatte ist.

11. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (4) eine elektrische Verbindung zur Elektrodeneinrichtung (7) der benachbarten Fläche der ersten Platte (2) schafft.

12. Piezoelektrischer Resonator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte (4) als Elektrodeneinrichtung für die benachbarte Fläche der ersten Platte (2) wirkt.

13. Piezoelektrischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Platte (2) aus Bleizirkonat—Bleititanat zusammengesetzt ist.

14. Piezoelektrischer Resonator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Platte eine A'-Schnitt-Quarz-Kristallplatte ist, deren Breite parallel zur y-Achse verläuft (F i g. 1 a).