DE1566035A1

DE1566035A1 - Akustische Vorrichtung

Info

Publication number: DE1566035A1
Application number: DE19671566035
Authority: DE
Inventors: Sykes Roger Allen; Beaver William Dean
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1966-04-11
Filing date: 1967-04-10
Publication date: 1971-04-22
Also published as: SE335581B; NL157166B; US3564463B1; US3564463A; JPS5212532B1; NL6704844A; BE696493A; DE1566035B2; GB1187472A; ES339667A1; DE1566035C3

Description

Western Electric (Jompauj χ*^^.__Λ Beaver-Sykes 1/2-18/19

J.S.A.

Akustische Vorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine akustische Vorrichtung zum Umsetzen eines ausgewählten Energiebands in einen Energieträger ausgewählter Belastungseigenschaften unter Verwendung akustisch resonanter Kristallanordnungen.

Bekannte Energieumsetzvorrichtungen, beispielsweise nach der US-Patentschrift 3, 015, 789 vom 2.1.1962, verwenden mehrere Kristallanördnungen in der Hauptsache als stabile Resonatoren. Derartige Vorrichtungen mußten aber mit anderen Komponenten, Z₉B. Transformatoren oder LC-Resonanzkreisen, kombiniert und modifiziert werden, damit die insgesamt gewünschte Energieumsetz-Kennlinie erzeugt werden konnten. Diese Kombination und Modifikation war notwendig, weil die Geometrie der Kristallkörper die Betriebseigenschaften jedes Resonators derart unelastisch fixiert, daß eine anderweitige Steuerung der Umsetzeigenschaften schwierig wird. Die resultierende Duplizierung der Kristallanordnungen und gesonderter Komponenten führte zu recht komplizierten Vorrichtungen und hat di· Bandpaß-Kapazität und den Umsetzwirkungegrad derartiger Vorrichtungen b·- schränkt.; ; - ₍ ■

10981770187 'bad

Das durch die vorstehend beschriebenen Nachteile gegebene Problem ist entsprechend der Erfindung durch eine akustische Vorrichtung mit einer Kristallanordnung gelöst, die zwischen, eine Energiequelle und eine Last eingesetzt werden, wobei die Oberfläche des Kristalls mit zwei Paaren einander gegenüberstehender Platten mit bestimmten Eigenschaften belastet wird. Der Kristall ist für eine Schwingung in einer Seherschwingungsform in bekannter Weise geschnitten. Jedes Plattenpaar ist im Abstand vom je anderen in dessen akustischem Feld angeordnet, so daß Energie zwischen ihnen geführt wird, und zwar unter Zentrieren eines gegebenen Bands, das von den Belastungseigenschaften und auch von Größe und den Massen der Platten sowie dem Abstand abhängt, wobei die Massen der Platten sowie der Abstand das gegebene Band derart definieren, daß dieses mit einem ausgewählten Band zusammenfällt.

Die Erfindung beruht teilweise auf der Erkenntnis, daß die Amplitudenkonzentration in der Nachbarschaft massenbelasteter Paare ausreichend genug eingestellt werden kann, damit die konzentrierenden Paare und die Kopplung zwischen den resonierenden Paaren im Sinne einer Anpassung an dasjenige Spektrum gesteuert werden kann, über welches die Energie zwischen den Massen auf einem vorbestimmten variablen Band übertragen werden kann. Im Effekt wurde dann die Massenbelastung als ein Mittel zum Binden der Energie erkannt. Der Abstand

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wurde als ein ,Mittel zum Führen der Energie zwischen den gebundenen Zuständen erkannt. Wegen der durch Bindung und Führung erreichten Steuerung ist eine beträchtliche Änderung bei der Auswahl des zwischen zwei Energiewegen geführten Energie spektrums möglich.

Als Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zu nennen, daß diese eine monolithische Vorrichtung ist, d.h. sie ist in der Lage Funktionen zu übernehmen, die bisher von komplizierten Netzwerken mit Kristaülanordnungen und anderen Schaltungsteilen durchgeführt worden sind. Ferner ist eine verbesserte Bandpaß-Kapazität und ein verbesserter Energieumsetz wirkungsgradvorhanden.

Im folgenden ist die Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; es zeigen:

Fig. 1 eine Schrägansicht in auseinander gezogenem Zustand einer

Ausführungsform der erfindungs gemäßen Vorrichtung, Fig. 2 eine Teilansicht im Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 1 gesehen in Richtung der Pfeile 2-2,

Fig. 3 die Frequenzkurve der Anordnung nach Fig. 1 und 2, Fig. 4 die Frequenzkennlinie der Anordnung nach Fig. 1 und 2 bei

Verwendung entsprechend dem Stand der Technik, Fig. 5 und 6 schematische Darstellungen der Equiy alenz Schaltbilder

der Anordnung nach den Fig. 1 und 2, Fig. 7 ein Diagramm zur Darstellung der Blindwiderstandsänderung

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in Abhängigkeit von der Frequenz.der Impedanzen in Fig. 5,, wenn die Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 entsprechend dem Stand der Technik konstruiert ist,

Fig. 8 ein Diagramm zur Erläuterung des Wellenwiderstands (image impedance cariation) in Abhängigkeit von der Frequenz der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2, wenn dieselbe entsprechend dem Stand der Technik konstruiert ist,

Fig. 9 ein Diagramm zur Darstellung der Blindwiderstandsänderung in Abhängigkeit von der Frequenz der Impedanzen in Fig. 5, wenn die Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 entsprechend der Erfindung konstruiert ist,

Fig. 10 und 11 Diagramme zur Erläuterung der reellen und imaginären Wellenwiderstände der Vorrichtung nach'Fig. 1 und 2, wenn dieselbe entsprechend der Erfindung konstruiert ist,

Fig. 12 und 13 funktioneile Schnitt ans ichten der Vorrichtung nach Fig. 1 zur Darstellung der Seher-Bewegung im Kristallkörper nach Fig. 1,

Fig. 14 und 15 Diagramme zur Erläuterung der Einfügungsdämpfungen für die Vorrichtungen nach Fig. 1 und 2, wenn dieselbe mit spezivischen Impedanzen zur Anhebung eines der beiden Bänder abgeschlossen ist,

Fig. 16, 17 und 18 Diagramme zur Darstellung der Beziehung der Bandbreite mit dem Verhältnis des Elektrodenabstands zur Kristalldicke, der Elektrodengröße und des "plateback"

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der Massenbelastung,

Fig. 19 das Schema einer Schaltung, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgebaut ist, Fig. 20 ein Diagramm zur Darstellung der Kennlinie der Schaltung nach Fig. 19,

Fig. 21 eine halbschematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 22 und 23 Draufsichten auf zwei weitere Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 24 und 25 Schaltbilder zur Darstellung verallgemeinerter Equivalent Schaltbilder" der Vorrichtungen nach Fig. 21 und 22, Fig. 26 und 27 schematische Darstellungen verschiedener erfindungsgemäßer Vorrichtungen in entsprechenden Schaltungen, Fig. 28 ein Diagramm zur Darstellung der Änderung der Einfügungsdämpfung mit der Fr equenz der Vorrichtungen nach Fig. 19, 26 und 27,

Fig. 29 eine verallgemeinerte Form eines erfindungsgemäßen Resonators mit zahlreichen Schwingungsformen und , Fig.-30-~das Equivalenz schaltbild der Vorrichtung nach Fig.29.

In den Fig. 1 und 2 ist als ein die Erfindungsprinzipien verkörperndes Ausführungsbeispiel eine piezoelektrische Kristallanordnung dargestellt, die, zwischen einer Quelle und einer Last liegend, als monolithisches Filter dient, d*h. als ein Filter ohne weitere Schaltungsbauteile. Dasf

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Beispiel illustriert die Einfachheit mit der die Eigenschaften der ,: Vorrichtung gesteuert werden können. Es zeigt gleichfalls den mit der Erfindung erreichbaren Vereinfachungsgrad für Filter.

In Fig. 1 sind zwei identische rechteckige Goldelektroden 10 und 12 auf gegenüberliegenden Flächen eines AT-geschnittenen Quarzkristallkörpers oder - Plättchens 14 aufgedampft. Sie bilden ein erstes Elektrodenpaar 16. Eine weitere aufgedampfte rechteckige Goldelektrode 18 bildet mit einer identischen Elektrode 20 auf der gegenüberliegenden Fläche des Körpers 14 ein zweites identisches Elektrodenpaar 22. Ebenfalls auf den Kristallkörper 14 aufgedampfte metallische Leiter 24 führen zu den Kanten des Plättchens wo an dieselben angelötete Bänder 26 die Verbindung zu aus der Basis 28 des Kristallfilters vorstehenden Stiften (nicht dargestellt) herstellen. Eine den Kr ist all körper 14 umgebende Kapsel 30 ist mit ihrem Rand an den der Basis 28 in hermetischer Abdichtung befestigt, um die Einheit zu vervollständigen. Die Elektrodenpaare 16 und 22 sind relativ zueinander parallel zur kristallographischen Z'-Achse des Kristallkörpers 14 ausgerichtet. Der Spalt zwischen den Elektrodenpaaren verläuft parallel zur kristallographischen X-Achse des Körpers.

Fig, 2 ist eine Schnittansicht der Fig. 1, wobei zugleich die Anordnung als monolithisches Filter zwischen eine Quelle S und eine Last L eingeschaltet ist. Der Übersichtlichkeit halber ist in Fig. 2 die Dicke des

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Kriställkörpers 14 vergrößert dargestellt. Die Quelle S liefert Energie an die Elektroden 18 und 20 bei oder nahezu bei Seherschwingungsgründfrequenz des Kriställkörpers 14. Die an den Elektroden 18 und 20 anstehende Energie veranlaßt den Körper in einer Scherschwingungsform piezoelektrisch zu schwingen. Die Schwingungen werden von den Elektroden 10 und 12 abgetastet und an einen Abschluß T geliefert.

Entsprechend der Erfindung sind die Elektroden 10, 12, 18 und 20 ausreichend massiv um eine merkbare Energiebindung oder einen merkbaren "Energieeinfang" zu erzeugen. Diese Massenbelastung der Elektroden konzentriert die Amplitude der durch die Quelle S eingeführten Schwingungen auf Bereiche des Plättchens 14 zwischen den Elektroden jedes Paares 16 und 22 und bewirkt, daß die Amplitude der Schwingung im Körper 14 mit zunehmender Entfernung von jedem Elektrodenpaar exponentiell abnimmt. Entsprechend der Erfindung reicht die Massen- · belastung aus, die Schwingungs amplitude so herabzusetzen, daß die Kanten keine nennenswerte Wirkung=im »Betrieb rzeigen. * ·

Gleichzeitig wird nach der Erfindung der Abstand d zwischen den Elektrodenpaaren 16 und 22 so gewählt, daß jedes Elektrodenpaar in den akustisch wirksamen Bereichen des je anderen Paars liegt, d.h. daß sie sich noch gegenseitig wesentlich beeinflussen, so daß zwischen ihnen Energie überführt oder effektiv "durch.tunnelt". Die Massenbelastungs- und Energieeinfangszustände unterscheiden sich von einem

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nur schwach belasteten oder nichtkontaktierten Kristallkörper. Im letzteren Fall nimmt die Schwingungsamplitude sinusförmig von einem Maximum an der Energiezufuhrstelle ab und ist über den ganzen Kristallkörper einschließlich der Kanten bedeutsam.

Der Übergang zwischen dem unkontaktierten Zustand und dem Energie-" bindungszustand ist recht bemerkenswert, wenn die Masse der Platten zunimmt. Er tritt auf wenn die Wellenvektorkomponente im Bereich der Platte die Größe der Wellenzahl ausgenommen des kontaktierten Bereichs überschreitet. Eine diesbezügliche Erläuterung findet sich in "Proceedings of the Seventeenth Annual Symposium on Frequency Control" vom 27. bis 29. Mai 1963, Seite 88 ff.

Die den Elektroden beigegebene Masse ist nicht leicht bestimmbar. Es ist jedoch ein brauchbares Maß vorhanden, das der Masse der Elektroden entspricht. Es ergibt sich aus dem Grad, um den die Masse eines Elektrodenpaars die Resonanzfrequenz des Körpers erniedrigt und von der Resonanzfrequenz des unkontaktierten Körpers, nämlich von der Scher Schwingungsgrundform des Körpers. Die relative Verschiebung der Resonanzfrequenz des Kristallkörpers gegenüber der Dickenscherschwingungsgrundfrequenz der nichtkontaktierten Platte als Folge einer Kontaktierung des Kristallkörpers mit ejnem Elektrodenpaar wird als sogenanntes "platebaek" bezeichnet. Diese Verschiebung oder das platebaek ist eine Funktion der Elektrodenmasse auf

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dem Kristall. Lasten mehrere Elektroden auf dem Körper _Λ so neigt das platebäck dazu., die einzelnen und die kombinierten Resonanzeffekte längs der Frequenzachse zu verschieben. Flatebacks von 0, 3 bis 3 % sind unter den Bedingungen der Fig. 1 und 2 brauchbar.

Das Ansprechyerhalten der Kristallanordnung nach den Fig. 1 und 2 mit einem plateback von 5% und einem geeigneten Abstand d zeigt Fig. 3, wenn die Anordnung mit einem Abfluß T abgeschlossen ist, der die Impedanz bei der Bandmittenfrequenz fm beispielsweise 5 bis 15 mHz, anpaßt. Im Ergebnis bildet die Anordnung ein ausgezeichnetes monolithisches Filter» Andererseits zeigt die gleiche Anordnung bei praktisch nicht vorhandener Massenbelastung die in Fig. 4 dargestellte Einfügungs dämpfung. Eine derartige Kurve macht die Anordnung für die meisten Filterzwecke unbrauchbar, wenn nicht eine zusätzliche elektrische Schaltungsanordnung das mittlere Sperrband beseitigt. Jedoch ist der insgesamt resultierende Bandpaß dann üblicherweise zu breit und zu ungleichmäßig für die meisten Hochfrequenz-Filterzwecke. Bisher haben Anordnungen dieser Art bei Hochfrequenz- . anwendungsfallen Gebrauch gefunden, wo einer der beiden benachbarten Bandpässe gebraucht und der andere ignoriert werden konnte. Dies führte zu einer Übertragung eines beträchtlichen Rauschens über das nichtbenutzte Band.

Bei der massenbelasteten Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2 kann der

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Bandpaß der Fig. 3 leicht verbreitert und verengt werden durch entsprechendes Verringern und Erhöhen der Entfernung d oder durch Erniedrigen oder Erhöhen der Massenbelastung. Dieses Phenomen kann anhand einer Betrachtung der Equivalenzschaltbilder (Fig. 5 und 6) der Vorrichtung nach Fig. 1 und 2 erläutert werden. Fig. 5 zeigt das equivalente Vierpolkreuzglied. Fig. 6 zeigt das equivalente Vierpolkettenglied. In der Equivalenzschaltung nach Fig. 6 stellen die drei Kondensatoren C das elektrische Equivalent der akustischen Kopplung zwischen den Elektrodenbereichen in Fig. 1 und 2 dar. Die beiden Schaltungen sind miteinander durch die folgenden Gleichungen verknüpft:

c,

^ciB ■ -^-c- ω

1 +

^C!A TT- <²>

Die Werte für C₁ und L₁ sind so, daß die Scherschwingungsgrundfrequenz gleich 1/21Γ ^/lTcT ist. Der Wert von L₁ selbst ist eine Funktion der Kristalldicke und der Geometrie der Elektroden 10, 12 und 18, 20. C ist die Wechselwirkungskapazität zwischen den Plattenpaaren 16 und 22. C _ ist die Kapazität eines Paars.

Das equivalente Vierpolkreuzglied ist das leichter analysierbare. 109817/0187

Al·./;

Wenn in Fig. 5 die Quelle S Energie an die Elektroden 18 und 20 bei oder nahezu bei der Scherschwingungsgrundfrequenz zuführt, so verhält sich die Schaltung so, wie wenn sie aus zwei Paaren resonanter Impedanzen Z _a und Z zusammengesetzt wäre. Diese Impedanzen

Ά. JO · ;

sind zur Bestimmung des Werts des Wellenwiderstands Z. brauchbar, der für das Vierpolkreuzglied der Fig. 5 gleich der Quadratwurzel aus

Z. x Z ist. Da der Kristallkörper 14 einen hohen Gütefaktor Q be- ά. α ■

sitzt, sind die Werte der Impedanzen Z. und Z_n praktisch ausschließ-3ich von ihren Blindwiderständen X. und X bestimmt. Daher ist der Wellenwiderstand Z. gleich der Quadratwurzel aus X. χ Χ_Ώ,

Bei Kristallanordnungen, die nicht massebelastet sind und bei denen die Quelle S den gesamten Kristallkörper anregt, ist die Frequenzabhängigkeit der Blindwiderstände X. und X der Impedanzen Z. und Z die in Fig. 7 dargestellte. Der Blindwiderstand X. ändert sich von einem niedrigen negativen Wert (wegen der Kapazitäten in Z.)

auf Null bei einer niedrigeren Resonanzfrequenz f _A wenn die Kapazität C₁ mit der Induktivität L₁ in Resonanz kommt. Der Blindwiderstand X^ erhöht sich dann auf einen hohen positiven Wert, wenn die Induktivität L₁ mit ihrer Parallelkapazität C_n in Resonanz kommt. Bei der Frequenz f . springt der Blindwiderstand von einem hohen positiven induktiven Wert auf einen hohen negativen kapazitiven Wert. Dies wird als die Antiresonanzfrequenz f . bezeichnet. Wenn die

aA

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Frequenz zunimmt, verringert sich der vorherrschende kapazitive Blindwiderstand auf Null. Der Blindwiderstand X₇., fojgt einer ähnliehen Kurve mit einer Resonanzfrequenz f und einer Antiresonanzfrequenz f .

Da X und X Imaginärzahlen sind, d.h. daß sie gleich JX¹. bzw. Ä Jd A

jX¹,-, sind, ist ihr Produkt negativ, wenn sie gleiches Vorzeichen haben, andernfalls negativ. Die Quadratwurzel aus einer positiven Zahl ist reell. Daher hat das Filter in den Frequenzbereichen, in denen X

und X auf gegenüberliegenden Seiten der Abszisse liegen, positiv

reelle Impedanzen R..

Wie aus den Kurven der Fig. 8 hervorgeht, existieren zwei positiv reelle Wellenwiderstände R. . Sie verlaufen über den unteren Reso-

nanz-Antiresonanz-Bereich f. bis f ., bzw, über den oberen Resonanz-Antiresonanz-Bereich f bis f ._. Da die Einfügungsdämpfung

JbJ aJtJ

ein Minimum ist, wenn die Abschlußimpedanz an den Wellenwiderstand angepaßt ist, ist die Einfügungs dämpfung für eine derartige Vorrichtung sehr hoch im Blindimpedanzbereich f . bis f_. Die Einfügungsdämpfung ist nur bei zwei Frequenzen niedrig. Für niedrige Lastwiderstände erzeugen die Kurven der Fig. 8 die in Fig. 4 dargestellte Einfügungs dämpf ung.

Die resultierende Kurve weist im wesentlichen zwei Bandpässe auf.

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Letztere machen die Anordnung selbst für Hochfrequenzfilterzwecke ungeeignet. Dies rührt weitgehend von der Kapazität G_n der Elektroden selbst her. Diese Kapazität ist jedoch unvermeidbar, wenn der Körper piezoelektrisch zu Schwingungen angeregt werden soll. Eine Änderung des gesamten Bandpasses erfordert zusätzliche Impedanzkomponenten. Diese Komponenten können eine Reihe Resultate bewirken, komplizieren aber allgemein das Filter um ein beträchtliches Ausmaß. Mit diesen gesonderten Komponenten kann auch eine Steuerung der Bereiche versucht werden, in welchen die Bandpässe arbeiten, ebenso kann auch hiermit versucht werden, das mittlere Sperrband zu beseitigen. Die Kanten des Körpers 14 begrenzen den Grad um den das eine Einzelband kleiner als f _Ä-f« oder f _-L, gemacht werden

Lfl xl £1x5 Xj

kann, auch kann das Gesamtband nicht kleiner als f -o-f, gemacht werden. ■

Entsprechend der Erfindung wird, wenn die Elektroden der Platten 10, 12, 18 und 20 ausreichend mit Masse versehen werden, die Scherwellenenergie im Plättchen 14 zwischen den Elektroden der entsprechenden Paare 12 und 16 konzentriert, so daß der Kristallkörper 14 außerhalb des Gebiets zwischen den Elektroden mit stark verminderter Amplitude Schwingt. Dabei kann kein nennenswerter Energiebetrag die Begrenzungen des Körpers 14 erreichen. Eine derartige Massenbelastung der Platten erzeugt zwei Resonatoren. Wenn jeder dieser Resonatoren im wirksamen Feld des anderen angeordnet ist, so arbeiten

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die beiden Resonatoren ähnlich wie ein abgestimmter Übertrager; Eine Steuerung der Dimensionen d und r sowie der Masse der Elektrodenpaare reguliert das Band, über das Energie des Systems des Paares 22 zum System des Paares 16 läuft. Dies ist das Equivalent einer Steuerung der durch die Kapazitäten C dargestellten Kopplung.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, erhöht ein Reduzieren der Kopplung zwischen den kontaktierten Bereichen den Wert von C . Als Folge hiervon nimmt das Verhältnis C., /C in den Gleichungen 1 und 2 für die Größen Q₁ und C₁ . ab. Dies bewirkt ein Größerwerden des Nenners in Gleichung 2 und ein Kleinerwerden des Nenners in Gleichung 1. Im Ergebnis nimmt der Wert von C₁ . ab und der von C₁-^ zu.

J. xx XJd

Folglich nähern sich die Resonanzfrequenzen f _A und f einander. Bei

A ο

einer Ausführungsform der Erfindung sind diese Frequenzen so weit einander angenähert, daß sich das in Fig. 9 dargestellte Bild ergibt. Hier haben die beiden Blindwiderstände X. und X^ der Impedanzen

Z. und Z je einen ähnlichen Verlauf wie in Fig. 7. Jedoch die Massen-A B

belastung und der Abstand bewirkt, daß sich die Resonanz-Antiresonanz-Bereiche überlappen. Es fällt nun die Resonanzfrequenz f in der ^f

Kurve Χ_Ώ zwischen die Resonanzfrequenz f. und die Antiresonanz-

i> A

frequenz f . Die resultierenden Wirk- und Blindanteile des Wellen o

Widerstands Z,, d.h. R. und X., erscheinen in der reellen Ebene |

der Fig. 10 und in der komplexen Ebene der Fig. 11. Aus Fig. 10 ist ersichtlich, daß die Impedanz Z, zwei positiv reelle Bereiche besitzt.

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Der eine Bereich liegt zwischen f und f . Mit zunehmender Frequenz nimmt R. ausgehend von Null zu und dann wieder auf Null ab. Der zweite Bereich liegt zwischen f . und f „. Hier nimmt mit zunehmender Frequenz R., vom Unendlichen herkommend, ab und wird dann wieder unendlich. Ein Separieren der Elektrodenpaare 16 und verschiebt die Kurven X. und X näher zusammen, wodurch jeder reelle Impedanzbereich verkleinert wird.

Einer der beiden Frequenzbereiche kann gesperrt werden entweder durch Auswahl einer Abschlußimpedanz T innerhalb des Wirkwiderstansbereichs eines Widerstands R.,, aber außerhalb des anderen, oder durch Wählen des Werts des Wirkwiderstands R. zur Anpassung an den Wert eines gewünschten Lastwiderstands. Die massenbelastete Anordnung der Fig. 1 unterscheidet die Impedanzkennlinien jedes Ban~ des vom anderen.

Mit anderen Worten, bei dieser Ausführungsform der Erfindung werden die Elektrodenpaare ausreichend belastet und voneinander separiert, um zwischen den Frequenzen f. und I₀ eine kontinuierliche positiv reelle Impedanz zu erzeugen, deren Wert etwa bei der mittleren Fre~ quenz zwischen den beiden eine Spitze erreicht. Dies bewirkt im Effekt die Erzeugung eines wirksamen Filters aus der Anordnung nach den Fig. 1 und 2. Bei diesem Filter sind die Bandbreiten entsprechend der Erfindung variabel« Eine Erhöhung der Massenbelastung oder der

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Entfernung d bewirkt eine Bandbreitenverringerung und umgekehrt.

Bei-der Anordnung nach Fig. 1 können die Frequenzen f. und f im Versuch physikalisch bestimmt werden. Bei der Frequenz f. sind die Scherschwingungen zwischen jedem Elektrodenpaar in Phase. Bei der Frequenz f_. sind sie um 180 außer Phase. Diese Bedingungen erscheinen in Fig. 12 und 13. Hier stellen die Versetzungen in den Linien S im Körper 14 die Scherschwingungen dar. Das Vorhandensein dieser Bedingungen ist durch topografische Röntgenstr ahlenunter suchungen bestätigt worden. Die Konzentration der S chwingungs amplituden auf die Nähe der Elektrodenpaare 16 und 22 infolge einer Massenbelastung ist durch die Änderungen in den Versetzungs amplituden innerhalb der Linien S dargestellt.

Daher sind bei dieser Ausführungsform, die Elektrodenpaare ausreichend belastet und separiert, so daß - bei einem Betrieb in der Scherschwingungsform - zwischen der Frequenz, bei welcher die Kristallkörper-Scherschwingungen unter den Elektrodenpaaren in Phase sind, und der Frequenz, bei der sie außer Phase sind, ein kontinuierlicher reeler Impedanzwert existiert, welcher ein Maximum bei einer Frequenz praktisch in der Mitte zwischen diesen beiden gleichphasigen und gegenphasigen Frequenzen hat.

Soll beispielsweise die Einfügungsdämpfung einer erfindungsgemäßen 109817/0187

Vorrichtung bei Verwendung einer Abschlußimpedanz T, die an die Maximalimpedanz R im unteren Bereich angepaßt ist, in Fig. 3 dargestellt. Die Einfügungsdämpfungen für ein Filter, das mit einem teilweise nicht angepaßten Abschluß T gleich R und R„ abgeschlossen ist, in den Fig. 14 und 15 dargestellt. Entsprechend einer spezielleren Ausführungsform der Erfindung überlappen sich die Resonanz-Antiresonanz-Bereiche bis zum dem Punkt, wo die Spitze des unteren Impedanzbereichs kleiner ist als das 0, 1-fache des Nadirs im höheren Impedanzbereich in Fig. 10.

Die Erfindungsprinzipein können zum Herstellen eines Filters für eine gegebene Bandbreite Bw um eine gewählte Mittenfrequenz f bei einer vorbestimmten Impedanz Z_Q angewandt werden. Dies wird bewerkstelligt zunächst durch Auswählen einer Indexfrequenz f, die einer gewünschten Scherschwingungsgrundfrequenz entspricht. Diese Frequenz f ist so gewählt, daß sie einem geeigneten plateback P_ß entspricht. Letzteres variiert in der Praxis von 0, 3 bis 3 %.

(3)

(6)

	f -	« f
	f	B' ■f
«ν	1 -
f(l-P f »	■ f m

- f m
■· f m m
•^PB

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Die Herstellung beginnt mit dem Schneiden eines Plättchens 14 aus einem Quarzkristall mit der gewünschten kristallographischen Orientierung, z. B. ein AT-Schnitt. Das Plättchen wird dann in der üblichen Weise auf eine Dicke t geschliffen und geätzt, die der gewünschten Schergrundschwingungs-Indexfrequenz f entspricht. Allgemein ist die Dicke umgekehrt proportional zur gewünschten Frequenz. Eine Maske mit entsprechenden Aussparungen für die niederzuschlagenden Elektroden wird auf den Kristall aufgebracht. Die Größe der Elektroden bestimmt sich aus der gewünschten Bandbreite und der gewünschten Impedanz. Die Länge der einzelnen Elektroden ergibt sich aus der Formel

Z_Q « 21Γ 5 χ 10 χ —τ- (7)

na r

Hieraus folgt r » t J χ 10 (8)

0 m

Hierin ist t die Plattendicke. Typiseherweise ist r/t «12, obwohl in der Praxis jeder Wert zwischen 6 und 20 brauchbar ist. Der Wert für r ergibt sich aus dem Umstand, daß die Größe Z_Q proportional ist zur Induktivität L der Platte mal 2tf mal absoluter Bandbreite.

Die Induktivität kann auch ausgedrückt werden durch

50 χ 1O_{6 (t)}2

entweder L. * ^ Λ (9)

K
oder L « —f- χ A_q (10)

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Hierin bedeutet A das Gebiet der Elektroden und die Größe K ändert

•sich zwischen 1, 7 für quadratische Elektroden und 2,1 für kreisförmige Elektroden. Daher ist das Elektrodengebiet gegeben durch

Κ' r²

Der richtige Abstand d zwischen den Elektroden kann aus den Kurven der Fig. 14, 15 oder 16 bestimmt werden. Diese Kurven zeigen die prozentuale Bandbreitenänderung für verschiedene Verhältnisse vom Elektrodenabstand zur Plattendicke und für verschiedene platebacks, ebenso für verschiedene Werte von r/t.

Um die gewünschten plateback-Werte zu erhalten, wird Gold durch die Masken in sehr dünnen Schichten niedergeschlagen, und zwar derart um Anschlüsse zu ermöglichen. Es wird dann einem Elektroden» paar Energie zugeführt und so lange Masse hinzugefügt, bis eine dem gewünschten plateback entsprechende Verschiebung auftritt. Dies wird getan, bis das Paar bei der Mittenbandfrequenz f in Resonanz kommt. Dann wird die Prozedur für das andere Paar .wiederholt. Während der Herstellung des zweiten Paars kann es notwendig sein, den Einfluß des ersten Paares auszuschalten, und zwar durch induktives Abschließen desselben. Die gewünschte Bandbreite sollte dann erreichbar sein. Unter diesen Bedingungen ist das plateback die prozentuale Fre-

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quanzabnahme der Mittenbandfrequenz f zwischen f _A und L·, von

zn Λ x5

der Dickens eher grundfrequenz der nichtkontaktierten Platte al£ Ergebnis der Kontaktierung.

Die Kurven der Fig. 16, 17 und 18 sind von einer Kristallprobe erzeugt. worden, die mit geteilten Elektroden versehen war und bei annähernd ' 10 mHz abgestimmt war. Unter Verwendung von platebacks zwischen 1, 0 und 2, 5 % sind die Verhältnisse vom Elektrodenabstand ettr Kristalldicke, die zum Erhalt von Frequenz abständen um eine Mittenbandfrequenz von 10 mHz von 15 bis 30 kHz erforderlich sind, in Fig. 16 dargestellt. Hier stellen die vier Kurven je die Beziehung zwischen d/t zum Frequenzabstand zwischen f. und f_ für vier verschiedene plateback-Werte dar. Fig. 16 zeigt, daß bei umso größerem Elektrodenabstand und umso größerem plateback der Frequenzabstand zwischen f. und f umso kleiner wird. Daher werden zum Verengen der Band-

A. 3ύ

breite von irgendeinem Wert aus der Elektrodenabstand und da« plateback entsprechend der Erfindung erhöht. Fig. 17 zeigt die Uaikehrung dieses Vorschlags für sechs Elektrodenpaar-Abstände, die durch sechs sich auf das prozentuale Verhältnis von plateback au Freqüeneäbstand beziehenden Kurven dargestellt sind. Diese Ergebnisse können auf andere Mittenbandfrequenzen verallgemeinert werden, wann Bw als Prozentwert benutzt wird.

10 9 817/0187 ^Of»<3/NAL INSPECTED

Wie aus den vorerwähnten Beziehungen

Z * 21T-BwL und Z_n * 2TT f— 50 χ IQ⁶ t²

m 2

ersichtlich ist, ist der Abschlußwirkwiderstand für das untere Übertragungsband proportional zur Induktivität des !Resonators für die gewünschte Bandbreite, Ist r/t * 12, so gleicht die Bandbreite in Herz des Filters der Fig. 1 der Hälfte des Produkts aus angepaßter Abschlußimpedanz und Mittenfrequenz in Megaherz, Beispielsweise kann ein 100-Ohm-Filter bei 10 mHz abgeglichen werden, um die Bandbreite von 500 Herz zu erhalten» Ist eine Bandbreite von 5000 Herz bei einem Verhältnis r/t * 12 gewünscht, so muß das Filter für eine maximal niedrige Übertragungsbandimpedanz von 1000 Ohm ausgelegt werden. .Allgemein haben 100-Ohm-Filter, wenn r/t * 12 ist, bei jeder Hochfrequenz eine Bandbreite von 0, 005 %,

Durch die Erfindung ist es möglich, eine Einkristallanordnung als komplettes Filter zu verwenden. Die Erfindung erlaubt eine leichte Kontrolle des Bandpasses, Sie ermöglicht ebenfalls, daß die Wirkungen des Kontaktierens überwunden werden. Eine Belastung der erfindungsgemäßen Anordnung begrenzt das Filter nicht auf monolithische Anwendungsfälle, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Das Filter kann zusätzliche Bandformen der Komponenten in irgendeiner Kombination zwischen jeder der Elektroden 10, 12, IS und 20 aufweisen. So kann

109817/0187 _msPECTED

Il

beispielsweise durch Hinzufügen eines Kondensators, wie es im Kondensator C . in Fig. 19, der Bandpaß oder die Einfügungsdämpfung, die in Fig.20 durch die Kurve A für C,. * 0 dargestellt ist, entsprechend den Kurven B, C und D geändert werden. Die Frequenz dieser Kurven ist in Vielfachem der halben Bandbreite dargestellt. Jedoch sind aus Gründen der Übersichtlichkeit die Frequenzen zwischen 0 und 1 linear dargestellt. Die Kurve B zeigt die Einfügungsdämpfung wenn C . gleich 0, 75 C_n ist, wobei C_n die Kapazität jedes Elektroden-ρ aar s ist. Die Kurven C und D zeigen die Einfügungsdämpfungskurve für Werte von C . gleich 3, 6 C_n bzw. 19 C_n.

Bei dem Beispiel, wie die Erfindung zum Aufbau eines Filters beispielsweise des Filters nach den Fig. 1 und 2, verwendet werden kann, hat der Quarzkristallkörper einen Durchmesser von 15 xsixa (0, 59 Zoll) und eine annähernde Dicke von 0,26 mm (0,0103 Zoll)» Die Abmessungen der Elektroden 10, 13, 18 und 20 sind 5,35 mm (0,2110 Zoll) mal 2, 68 mm (0,10555 Zoll), und der Elektrodenabstand d liegt; zwi-

■ ■ ■ ■· \

sehen den Kanten mit den langen Abmessungen und betragt 3,15 mm (0,124 Zoll). Die Elektrodenpaare 16 und 22 sind relativ zueinander längs der kristallographiechen Z¹-Achse dee Kristalle 14 ausgerichtet. Die Massenbelegung der Elektroden ist so gewählt, um ein plateback von 1, 79 % zu erhalten.

Eine derartige Anordnung zeigt einen Mittenband- Wellenwideret and 109817/0187

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von 115 Ohm für einen Paßband und einen Wellenwiderstand von mehreren tausend Ohm oder darüber für einen zweiten Bandpaß. Die Werte f. undf^ sind 6.335868 und 6.336132 MHz. Die equiva-

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. lente Induktivität L ist 44 mHy.

Das obige Beispiel des Vermögens der Erfindung, die Geometrie der Kristallplättchenkanten auszusehließen und Energie zwischen zwei Resonanzen zu übertragen, zweigt wie ein Filter vorbestimmter Eigenschaften aus einer ansonsten unelastischen Vorrichtung erhalten werden kann. Es gibt weitere Beispiele des erfindungsgemäßen Effekts. So ist die Erfindung nicht auf Kristallplättchen beschränkt, das zwei Paare metallischer- Elektroden trägt* Wird ein Kristall ausreichend mit Hilfe mehrerer Paare nichtmetallischer Platten massebelastet, so ist eine Energiebindung ohne die kapazitive Wirkung der Elektroden vorhanden. Durch Ändern der Massenbelastung und des Abstands zwischen den Platten ist es möglich, eine Resonatorvorrichtung mit vielen Schwingungsformen mit gekoppelten Resonatoren zu erhalten. Dies entspricht einem vielspuligen abgestimmten Übertrager. Durch Zuführen von Energie auf nichtelektrische Weise, z. B, im Wege der Magnetostriktion, kann die Anordnung als ein gesteuertes mechanisches Filter verwendet werden. Dies ist in Fig. 21 dargestellt, wo Spulen 50 zu Scher schwingungen anregen und die Energie vom Elektroden 54 tragenden Körper 52 abtasten.

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Die Erfindung kann in einer hybriden piezoelektrischen-mechanischen Anordnung verkörpert werden. Durch Massenbelastung und durch entsprechendes Separieren der Plattenpaare können zahlreiche gewünschte Bandpässe für Filterzwecke erreicht werden. Eiae derartige Anordnung ist in den Fig. 22 und 23 dargestellt. Hier empfangen in Form gegenüberliegender Paare auf gegenüberliegenden Seiten des Plättchens 14 niedergeschlagene Goldelektroden 16 Energie über Leiter 62. Zwischen den Elektrodenplattenpaaren liegen nichtmetallische Platten 64 auf beiden Seiten eines AT-geschnittenen Kristallkörpers paarweise gegenüber. Die Plattenpaare und die Elektrodenpaare sind sämtlich ausreichend maseenbelastet um eine ausreichfende Energiebindung in der Dickenscherschwingungsform zu erzeugen und damit nennenswerte Einflüsse der-Plattenkanten zu beseitigen, liegen aber dicht genug beieinander um Energie von einem zum nächsten Paar übertragen zu können, d.h. um gekoppelt zu sein. Die Größe der Massenbelastung sowie der Abstand zwischen den Paaren steuert die Kopplung und dami» den resultierenden Bandpaß.

In den Fig. 24 und 25 sind schematisch zwei Equivalenzschaltbilder für den allgemeinen Fall der Ausführungsformen nach Fig. 21 dargestellt. Die Fig. 24 ist diec equivalente Vierpolkreuz schaltung und die Fig. 25 ist die equivalente Kettenschaltung. Letztere ist aus einer Reihe Resonanzkreise RS zusammengesetzt, deren Anzahl gleich der Anzahl η der durch die Kopplungsfaktoren k , k , ...k. ' . ,

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miteinander gekoppelten Paaren ist. Die equivalente ■Vierpolkreuzschaltung enthält Impedanzen Z. und Z , in denen je eine Mehrzahl Serienresonanzkreise liegen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 22 schwingen die die entsprechenden Elektrodenpaare tragenden Teile des Körpers in Phase bei der niedrigsten Resonanzfrequenz f., d.h. amunteren Ende des Bands. Bei der höchsten Resonanzfrequenz f , d. h. am oberen Ende des Bandes schwingen die entsprechenden Teile des Körpers alternierend in Phase und außer Phase gegenüber benachbarten Teilen des Körpers.

Diese Schwingungszusammenhänge können mit Hilfe topografischer Röntgenstrahlenuntersuchungen beobachtet werden« Hier sind die Abschnitte zwischen den Plattenpaaren auf dem Röntgen-Filmnegativ praktisch Hchtundurchlässig, wenn die betrachteten Plattenpaare in Phase schwingen, und vergleichsweise durchscheinend, wenn sie außer Phase schwingen.

Entsprechend der Erfindung werden die Elektrodenpaare relativ zum Abstand ausreichend belastet, um die Kopplung zwischen den Paaren genügend zu reduzieren, so daß dort eine kontinuierliche reelle Impedanz zwischen der niedrigen und hohen Resonanz vorhanden ist.

Die Wirkung der zusätzlichen Elektrodenpaare dient zum Steilermachen

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der Seitenbänder. Die Seitenbänder können noch steiler gemacht werden, wenn eine leichte Welligkeit im Bandpaß zugelassen wird.

Bandpaßproben für zwei massenbelastete Kristallanordnungen mit gekoppelten viele Schwingungsformen aufweisenden Resonatoren entsprechend Pig. 26 und 27 sind in Fig. 28 als Kurven A und B dargestellt. Die Kurve C ist der Bandpaß für einen ähnlichen zwei Schwiiigungs formen aufweisenden Resonator. Die Bezugsziffern entsprechen denen der Fig. 22 und 24.

In Fig. 2 9 ist die Erfindung in ihrer verallgemeinerten Form dargestellt. Hier ist ein mechanisches Filter dargestellt, das aus einer Reihe Einzelscherschwingungs-Resonatoren 70 aufgebaut ist, welche durch die elastischen Konstanten des Materials 72 miteinander gekoppölt sind. Die Impedanz und Resonanzfrequenz jedes Resonators kann geändert werden. Die Kopplung/.zwischen den Resonatoren kann ebenfalls geändert werden. Die Anordnung kann durch einen piezoelektrischen oder durch einen mechanischen Wandler betrieben werden, dessen Bandbreite größer oder gleich der des dargestellten mechanischen

Filters ist. F_Q und V_Q sind die Eingangekraift und -Geschwindigkeit. F und V sind Ausgangekraft bzw. Ausgangsgeechwindigkeit,

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Claims

Patentansprüche

1. Akustische Vorrichtung zwm. Umsetzen eines ausgewählten Energiebands in einen Energieträger ausgewählter Belastungseigenschaften, mit einem gegenüberliegende Flächen aufweisenden Kristallkörper, der für einen Betrieb in der Dickenscherschwingungsform geschnitten ist,

einem ersten Paar von Platten auf gegenüberliegenden Flächen des Kristallkörpers,

und einem zweiten Paar von Platten auf gegenüberliegenden Flächen des Kristallkörpers,

wobei eine der Platten jedes Paares eine Masse besitzt, die für eine exponentiell Abnahme der Energie «Amplitude im Körper mit zunehmender Entfernung von jedem Plattenpaar ausreichend ist der Art, daß die akustische Energie auf ein akustisches Feld im Körper um jedes Plattenpaar herum begrenzt ist und von den Kanten des Körpers entfernt bleibt,

dadurch gekennzeichnet, daß jedes Plattenpaar im Abstand vom anderen in dessen akustischem Feld angeordnet ist der Art, daß Energie zwischen ihnen über ein gegebene Band geführt wird, das von den BeIastungseigenschaften des Energieträgers ebenso auch von Größe und Massen der Platten und dem Abstand abhängt, und daß die Massen der Platten sowie der Abstand das gegebene Band

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derart definieren, daß dieses mit dem ausgewählten Band zusammen'· fäUt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper zusätzliche Plattenpaare trägt, wobei eine Platte ausreichende Masse für eine exponentielle Abnahme der Energie-Amplitude im Körper mit zunehmender Entfernung von dem zusätzlichen Paar besitzt, um dadurch die akustische Energie auf ein akustisches Feld im Körper um das zusätzliche Paar herum zu beschränken, wobei dieses Paar im Abstand von einem der anderen Paare in dessen akustischem Feld angeordnet ist, so daß Energie zu dem zusätzlichen Paar übertragen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Paare zwischen dem akustischen Feld sowohl des ersten und des zweiten Paares im Abstand von einander angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei dem das erste und zweite Plattenpaar aus elektrisch leitendem Mittel gebildet sowie mit Anschlußmitteln für einen Anschluß an eine elektrische Quelle und eine elektrische Last versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Plattenpaare nicht-metallisch sind.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattenpaare ein plateback von 0, 3 bis 3 % der Verhältnisse des Elektrodenabstands zur Kristallplattendicke für einen Betrieb bei der Frequenz der Dickenschergrundschwingung haben.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Paare ein platebaek größer als 0, 3/n % für einen Betrieb bei etwa dem n~ten Oberton der Dickenscherschwingungsgrundfrequenz des Körpers aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand und die Massen der Platten so gewählt sind, daß, wenn akustische Energie den Körper zum Schwingen bringt, eine Frequenz vorhanden ist, bei der die Schwingungen zwischen einem Paar in Phase sind mit den Schwingungen am anderen Paar, sowie der Art, daß bei einer anderen Frequenz die Schwingungen zwischen den Paaren außer Phase sind und ein kontinuierlicher positiv reeller Wellenwiderstand existiert, der auf ein etwa in der Mitte gelegenes Mximum ansteigt und dann wieder abfällt, wenn sieh die Frequenz zwischen den beiden Frequenzen ändert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Paar einen Resonanz-Antiresonanz-Bereich aufweist und daß sich

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diese Bereiche überlappen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kapazität das erste Paar mit dem zweiten Paar verbindet.

10. Verfahren zum Herstellen einer akustischen Vorrichtung zum Umsetzen eines ausgewählten Energiebands einer Quelle, bei dem ein Plättchen auf eine einer Indexfrequenz entsprechenden Dicke geätzt wird, gekennzeichnet durch Niederschlagen eines ersten Paares von Platten auf gegenüberliegenden Seiten des Plättchens, und zwar in Abmessungen, die das Plättchen an die Kennlinie eines der Energiewege anpassen,

durch Vergrößern der Masse der Platten bis die Resonanzfrequenz., ausgehend von der Indexfrequenz, um 0, 3 bis 3 % abnimmt, und durch Niederschlagen eines zweiten Paares von Platten auf gegenüberliegenden Flächen des Plättchens mit Massen, die die Resonanzfrequenz, ausgehend von der Indexfrequenz, um 0,3 bis 3 % verringert sowie unter einem Abstand von dem ersten Paar, um zwischen den Massen der Platten eüu dem ausgewählten Übertragungsband entsprechendes Übertragungsband zu erzeugen.

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