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Piezoelektrischer keramischer Ringresonator Gegenstand der Erfindung
ist ein piezoelektrischer keramiwoher Resonator fQr ein Zwischenfrequenzfilter,
bestehend aus einem piezoelektrischen keramischen dtlnnen Ring mit zwei an den entgegengesetzten
Haupteeiten angebrachten Elektroden und mit zwei an jeder Elektrode befestigten
leitenden Platten, wobei jede leitende Platte im wesentlichen aus einer Leiterzunge
und aus einem leitenden Ring, dessen Größe und Gestalt dem piezoelektrischen keramischen
Ring entspricht. Der keramische Ring schwingt radial bei Resonanz mit der Grundfrequenz.
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Die Erfindung betrifft piezoelektrische keramische Ringresonatoren
und im besonderen eine verbesserte Halterung für die Resonatoren piezoelektrischer
keramischer Filter.
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Solche Resonatoren sind an sich bekannt und werden in der Hauptsache
für Ultraschallerzeuger und für elektromechanische Vibrationsübertrager verwendet.
Diese älteren piezoelektrischen keramischen Ringresonatoren weisen verhältnismäßig
große Abmessungen auf und bestehen aus verhältnismäßig dicken Ringen, an
deren
beiden entgegengesetzten Hauptseiten zwei Elektroden angebracht sind0 An den Elektroden
dieser Resonatoren können ohne Schwierigkeiten Drahtleiter oder Leiteranschlüsse
angebracht werden, ohne die elektromechanischen Eigenschaften und Schwingungsmerkmale
zu beeinflussen. Andererseits sind die piezoelektrischen keramischen Ringresonatoren
für Wellenfilter, im besonderen für 455 KHz-ZF-Filter in Radioempfängern klein,
so dass deren elektromechanische Merkmale durch Drahtleiter beeinflusst werden.
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Ein kleiner piezoelektrischer keramischer Ringresonator kann daher
in einer unerwünschten Weise reagieren, und die Resonanzschwingungen können gedämpft
werden. Solche Resonatoren sind daher als piezoelektrische Wellenfilter nicht geeignet.
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Die Erfindung sieht daher einen besseren piezoelektrischen keramischen
Resonator vor, der die genannten Mängel nicht aufweist und in sinn bestimmten Frequenzbereich
nicht in unerwünschter Weise anspricht.
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Der erfindungsgemäße Resonator führt radialschwingungen aus und ist
gekennzeichnet durch eine für ein keramisches ZF-Filter von Radioempfangsgeräten
geeignete Bandbreite sowie durch kleine Abmessungen.
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Die Erfindung wird nunmehr ausführlich beschrieben. In den beiliegenden
Zeichnungen ist die Fig.l eine schaubildliche Darstellung eines piezoelektrischen
keramischen Ringresonators nach der Erfindung, Pig.2 eine graphische Darstellung,
die die Frequenzcharakteristik der elektrischen Scheinleitwerte des Resonators nach
der Fig.1 im Vergleich zu den entsprechenden Merkmalen herkömmlicher piezoelektrischer
keramischer Resonatoren zeigt, Fig.3a eine schaubildliche Darstellung eines erfindungsgemäßen
Gehäuses für den Resonator, Pig.3b eine schaubildliche Darstellung einer anderen
Ausführung eines piezoelektrischen keramischen Ringresonators nach der Erfindung,
Fig.3c
ein Schnitt durch die Halterung und das Gehäuse eines piezoelektrischen keramischen
Ringresonators nach der Erfindung.
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Die Fig.1 zeigt einen als Ganzes mit 10 bezeichneten piezoelektrischen
keramischen Ringresonator, bestehend aus einem keramischen dünnen Ring 12, an dessen
entgegengesetzten Hauptseiten zwei Elektroden 13 und 14 angebracht sind0 An den
Elektroden 13 und 14 sind mittels glebstoffschichten 15 und 16 zwei leitende Platten
20 und 20 befestigt. Jede leitende Platte 20, 20' besteht im wesentlichen aus einer
Leiterzunge 21, 21' und einem leitenden Ring 22, 22', der im wesentlichen die gleiche
Porm und Größe aufweist wie der keramische Ring 12. Die Elektroden 13 und 14 überdecken
gänzlich die entgegengesetzten Hauptseiten des keramischen dünnen Ringes 12. Der
leitende Ring 22 ist an der Elektrode 13 unter Anwendung eines geeigneten Verfahrens,
z.3 mittels eines Spoxid-Klebstoffes oder eines Lötmittels befestigt. Der andere
leitende Ring 22' ist an der Elektrode 14 auf die gleiche Weise befestigt. Die Leiterzungen
21 und 21' stehen einander nicht gegenüber, wie in der Fig.1 dargestellt.
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Der piezoelektrische keramische Ring 12 ist in Richtung dessen Dicke
polarisiert.
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In der Fig.2 sind die Frequenzen in kHz auf der waagerechten Achse
und die relativen Werte des elektrischen Scheinleitwertes in dB aufgetragen. Die
mit Vollinie gezeichnete Kurve zeigt den elektrischen Scheinleitwert des piezoelektrischen
keramischen Ringresonators 10 nach der Erfindung (Pig.1), während die gestrichelte
Kurve den elektrischen Scheinleitwert des keramischen Ringes 12 zeigt, wenn dieser
von einem an die Elektroden 13 und 14 angelöteten Drahtleiter getragen wird. Die
Grundresonanzfrequenz der radialen Schwingungen des keramischen dünnen Ringes 12
beträgt 455 kHz. Der Ringresonator 10 weist im Frequenzbereich von 500 bis 2000
kHz keine unerwünschten Reaktionen auf Es wurde festgestellt, dass der in der Fig.1
dargestellte piezoelektrische keramische Resonator nach der Erfindung Prequens/Scheinleitwert-Xerkmale
aufweist, t, die frei sind von unerwünschen
Reaktionen innerhalb
eines weiten Frequenzbereiches0 Der Frequenzbereich, in dem unerwünschte Reaktionen
nicht auftreten, kann nach der Erfindung durch Ändern des Verhältnisses Innendurchmesser/Außendurchmesser
bestimmt werden.
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Für einen mehr als ungefähr 2 bz umfasaenden Frequenzbe reich muss
das Verhältnis Innendurchmesser/Außendurchmesser größer als 0,45 sein. Die obere
Grenze des Durchmesserverhältnisses hängt von dem elektromechanischen Kopplungskoeffizienten
des für den keramischen dünnen Ring verwendeten Materials ab.
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Ein piezoelektrischer keramischer dünner Ring mit einem größeren Durchmesserverhältnis
weist einen hohen Resonanzwiderstand und einen kleinen mechanischen Gütefaktor Q
auf. Bei größer werdendem Durchmesserverhältnis vermindert sich außerdem die statische
Kapazitanz des piezoelektrischen keramischen dünnen Ringes.
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Der wirksame elektromechanische Kopplungskoeffizient des keramischen
Ringresonators wird ferner kleiner, wenn das Durchmesserverhältnis größer wird.
Ein ZF-Filter mit einem piezoelektrischen keramischen dünnen Ring weist daher eine
übermäßig große Eingangsimpedanz und eine schmale Bandbreite suf. Ein solches ZP-Pilter
ist nicht erwünscht unu besonders nicht in einem ZF-Verstärker für AMLRadioempiänger.
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Es wurde ermittelt, dass ein hochwertiger piezoelektrischer keramischer
Resonator für ein 455 kHz-ZF-Filter geschaffen werden kann, wenn das Durchmesserverhältnis
0,45 bis 0,60 beträgt, und wenn der elektromechanische Kopplungskoeifizient des
dünnen keramischen Ringes 0,34 bis 0,40 beträgt0 Werden dicke leitende Platten 20
und 20' verwendet, eo weist der fertige Resonator einen kleinen mechanischen Gütefaktor
Q auf und erzeugt nur schwache Schwingungen mit kleiner Amplitude.
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Bei einer breiten Leiterzunge 21 werden außerdem unerwünschte Reaktionen
verursacht, wie in der Fig.2 durch die gestrichelte Kurve dargestellt ist. Der piezoelektrische
Resonator nach der Erfindung erzeugt die günstigste Leistung, wenn die Dicke der
leitenden Platten 20, 20' weniger als 5% der Dioke des keramiechen Ringes 12 beträgt,
und wenn die Breite der Leiterzungen weniger als ungefähr 3/10 des Außendurchmessere
des keramischen dünnen Ringes 12 beträgt.
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Der piezoelektrische Ringresonator kann ohne Schwierigkeiten in ein
kleines Gehäuse nach der Erfindung eingesetzt werden0 Die Sigma zeigt ein Gehäuse
30 nach der Erfindung, das im wesentlichen aus drei Teilen besteht, und zwar aus
den beiden Abdeokgliedern 31, 311 und aus einem ringförmigen Rahmen 32, der einen
Ansatz 33 mit zwei ebenen Flächen aufweist. Die beiden Anschlussleiter 34 und 35
sind an den ebenen Flächen befestigt.
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Das Gehäuse 30 wird aus einem geeigneten Isoliermaterial hergestellt,
zOB. aus einem Epoxidharz, aus Glas oder aus einem keramischen Material.
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Bei einem erfindungsgemäßen piezoelektrischen keramischen Ringresonator
können die beiden Leiterzungen einander gegenüberstehen, wie in der Figo3b dargestellt,
in der für die gleichen oder einander entsprechenden Bauteile die gleichen Bezugszeichen
verwendet wurden wie in der Fig.1. Die Leiterzungen 21, 21' sind am Ansatz 33 des
Gehäuses 30 festgeklemmt und stehen mit den Anschluesleitern 34 und 35 in Berührung,
wie in der Sig.3c dargestellt. Nach dem Einsetzen des piezoelektrischen keramischen
Ringresonators 10 in den ringförmigen Rahmen 32, werden die Abdeckglieder 31, 31'
am Rahmen 32 befestigt. Zwischen den Ringresonator 10 und die Abdeckglieder 31,
31t werden aus einem schwammartigen Material bestehende Abstandsscheiben 36, 36'
eingesetzt, die den Resonator vor Stößen und äußeren BrachUtterungen schützen.
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Ein erfindungsgemäßer piezoelektrischer Ringresonator kann unter
Verwendung eines piezoelektrischen keramischen Materials hergestellt werden, z.30
aus dem in der amerikanischen Patentschrift Nr. 3 268 453 beschriebenen piezoelektrischen
keramischen Material, und zwar in Form eines dünnen keramischen Ringes mit den in
der nachstehenden Tabelle I angeführten Abmessungen.
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T a b e l l e I Muster Xr. 1 2 3 4 5 6 7 Auß endurchmesser in mm
3,41 3,54 3,43 3,40 3,67 3,10 5,50 Innendurchmesser in mm 1,86 1,78 1,70 1,72 1,70
1,86 0 Dicke in mm 0,52 0,41 0,32 0;26 0,32 0,32 0t32 Anmerkung: Der Resonator Nr.7
ist ein Scheibenresonator mit derselben Resonanzfrequenz. Die Verhältnisse Innendurchmesser/Außendurchmesser
der Muster Nr. 1-4 betragen ungefähr 0,5, während die enteprechenden Verhältnisße
bei den Mustern 5 und 6 ungefähr 0,45 bezw.
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0,6 betragen.
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Das verwendete piezoelektrische keramische Material weist die in
der Tabelle 2 angeführten Merkmale auf.
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T a b e l l e II Frequenz konstant 2400 kHz-mm Prequenestabilität
mit der Zeit 0,05% / Dekade mit der Temperatur 30 x 10-6/C Dielektrizitätskonstante
1350 elektromechanischer Kopplungskoeffizient 0,36 mechan0Gütefaktor Q 1300 Anmerkung:
Radialschwingung einer Scheibe.
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Der piezoelektrische keramische Ringresonator nach der Erfindung
ist frei von unerwünschten Reaktionen in dem weiten Frequenzbereich von 500 kHz
bis zu ungefahr 2 MHz und weist eine geeignete Bandbreite auf für 455 kHz eines
keramischen ZP-Filters für RadioempSänger sowie die in der nachstehenden Tabelle
III angeführten geringen Abmessungen.
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T a b e 1 1 e III Muster Nr. 1 2 3 4 5 6 7 Resonanzfrequenz in kHz
455 457 457 460 446 455 455 Bandbreite in kHz 11,3 11,6 11,0 12,0 12,2 10,2 25,3
Resonanzwiderstand in Ohm 59 44 28 31 47 57 5 Kapazität in pF 180 230 290 360 330
220 430 niedrigste unerwünschte Reaktion in MHz 2,51 2,27 2,26 2,31 1,99 2970 1,12
Anmerkung: Muster Nr.7 ist ein Scheibenresonator mit derselben Resonanzfrequenz.
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Bei den oben beschriebenen besonderen Ausführungsformen der Erfindung
können von Sachkundigen im Rahmen des Erfindungsgedankens Änderungen, Abwandlungen
und Ersetzungen vorgenommen werden. Die Erfindung selbst wird daher nur durch die
beiliegenden Patentansprüche abgegrenzt.
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Patentansprüche