ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИЙ ВИБРАТОР'' Советский патент 1972 года по МПК H03H9/15 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при изготовлении пьезокерамических толщинных вибраторов, т. е. вибраторов, резонансная частота которых определяется толщиной тела (его минимальным размером).

Известны пьезоэлектрические вибраторы, в которых подавление побочных резонансных колебаний осуществляется посредством нанесения на пьезоэлектрическую пластину твердого покрытия.

С целью улучшения спектральной характеристики вибратора в предлагаемой конструкции размеры электродов находятся в определенной зависимости, а именно, длинная сторона прямоугольного электрода (в случае круглого или кольцевого электродов - их диаметры) короче, чем dA/K, где d - толщина вибратора, /С - коэффициент электромеханической связи и Л - константа, зависящая от вида колебаний. При этом выбор главного размера электрода обеспечивает подавление ангармонических колебаний.

Кроме того, один электрод имеет больщий размер, чем другой, а для осуществления электрического контакта с больщим электродом использованы три контактные пружины, расположенные под углом 120° друг к другу, а с меньщим - одна контактная пружина.

Вибратор может быть выполнен из таких пьезоэлектрических материалов, как титанат щелочноземельного металла, титанат свинца и титанат-цирконат свинца, в которых создание остаточной поляризации обеспечивает высокую величину коэффициента /С электромеханической связи. Это обеспечивает больщую разницу между частотой последовательного резонанса, при котором электрический

импеданс пьезоэлектрического тела достигает минимума, и частотой параллельного резонанса, при котором импеданс достигает максимума. Возможны колебания различных видов:

сдвиговые, скручивающие и радиально-сдвиговые, а также растяжения или сжатия.

В вибраторах, которые колеблются по типу толщинного растяжения или сжатия, желательно обеспечить смещающую поляризацию

по всему телу. С этой целью обе поверхности полностью покрывают электродами, между которыми подают высокое постоянное напряжение. После операции смещающей поляризации эти электроды удаляют и создают электроды требуемого размера. Один из использованных для поляризации электродов может быть оставлен в качестве возбуждающего. На фиг. 1 изображена боковая проекция предлагаемого вибратора, на фиг. 2 - его аксонометрическая проекция; на фиг. 3 показана импедансная характеристика известного вибратора, на фиг. 4 - импедансная характеристика предлагаемого вибратора; на фиг. 5 изображен вибратор с равными электродами, вид сбоку, на фиг. 6 - вибратор с разными по размеру электродами, вид сбоку, на фиг. 7 - вибратор с контактными пружинами. На торцевых поверхностях вибраторов 1, выполненных, например, в виде дискообразных пьезоэлектрических тел, расположены возбуждающие электроды 2. При такой конструкции электроды обычно также имеют круговую или кольцевую форму и расположены концентрически оси 3 вибратора 1; последний поляризован в направлении, параллельном этой оси. Переменное напряжение, поданное на электроды 2, создает электрическое поле, которое попеременно является параллельным и антипараллельным поляризующему полю так, что тело вибратора возбуждается с колебаниями типа растяжения или сжатия по толщине. Тот же тип колебаний возможен и при использовании вибраторов других форм. Частотная характеристика электрического импеданса Z толщинного вибратора, сделанного из материала с больщим коэффициентом электромеханической связи, имеет минимум на частоте последовательного резонанса fni и максимум на частоте параллельного резоЛп1 -/«1 нанса /ml- Относительное расстояние между точками последовательного и параллельного разонансов много больше, чем в случае кварца, в результате чего между этими резонансами имеется несколько ангармонических обертонов (в толщинных вибраторах частота отсечки /с обычно располагается очень близко к частоте параллельного резонанса Как известно, относительное расстояние между последовательным и параллельным резонансами, и, следовательно, при хорощей апроксимации расстояние между /с и fni составляет , где К - коэффициент электромеханической связи. С другой стороны, может быть выведено следующее выражение для относительного расстояния между последовательным резонансом fni основного тока и S-M ангармоническим обертоном: где С-константа, зависящая от типа колебаний, на которых работает толщинный вибратор, и в конечном счете, от упругой постоянной матетериала;D - наибольший размер электродов (диаметр в случае круговых электродов и длина самой длинной стороны в случае прямоугольных электродов) ; d - толщина вибратора; PS и PI - постоянные. Чтобы обеспечить подавление ангармонических обертонов, они должны иметь частоты более высокие, чем частота отсечки /с, и поэтому 1с /щПз выражений (1), (2) и (3) следует, что - d, К где А имеет следующие значения для различных типов колебаний; 6 - для колебаний типа толщинного сдвига и толщинного кручения, 4 - для колебаний типа толщинного растяжения или сжатия, 30 - для колебаний типа толщинного радиального сдвига. Частотная характеристика электрического импеданса предлагаемого вибратора изображена на фиг. 4. Ангармонические обертоны сдвинуты до частот более высоких, чем частота отсечки, и подавляются. На фиг. 5 изображен вибратор, имеющий два идентичных электрода на своих торцовых поверхностях, причем электроды должны иметь достаточно малые размеры. В круговом вибраторе, имеющем последовательный резонанс на частоте ,7 Мгц, например, толщина диска равна 203 мкм и диаметр электрода 1,3 мм. При таком расположении электродов эффективная электродная поверхность Ь, рассматриваемая как проекция а одного электрода на другой, может измениться при сдвиге одного из них, 2. При этом емкость между электродами также изменяется, т. е. относительное взаимное размещение электродов является очень критичной операцией, и при настройке толщинного вибратора на требуемую частоту материал, откладываемый по всей поверхности электрода, не должен выходить за ее пределы. Любое отложение вне первоначальной электродной поверхности приводит к изменениям емкости и нежелательным изменениям импедансной характеристики. В предлагаемой конструкции вибратора (фиг. 6) электрод 4 значительно больше первого электрода 2 и взаимное смещение электродов не изменяет эффективную электродную поверхность и величину емкости. Дополнительное отложение материала для настройки на нужную частоту можно осуществить на большем электроде, причем в ходе этой операции необходимо обращать внимание на то, чтобы была покрыта площадка, противоположная меньшему электроду. Электрический контакт с электродом 4 достигается с помощью трех контактных пружин 5 под углами около 120° друг к другу, которые касаются электрода. Такие пружины не создают механического демпфирования вибратора. Контакт с меньшим электродом 2 может быть также осуществлен с помощью пружины 6, причем точное расположение этой пружины предотвращает возникновение механического демпфирования. Предмет изобретения 1. Пьезокерамический вибратор, представляющий собой дискообразное тело, резонансная частота которого определяется его толщиной, поляризованное непрерывно по всему объему тела, с возбуждающими попарнорасположенными, например, прямоугольными, круглыми или кольцевыми электродами, отличающийся тем, что, с целью улучшения его спектральной характеристики, длинная сторона прямоугольного электрода, а в случае круглого или кольцевого электродов их диаметры короче, чем dA/K, где d - толщина вибратора, /С - коэффициент электромеханической связи и А константа, зависящая от вида колебаний. 2. Пьезокерамический вибратор по п. 1, отличающийся тем, что один из электродов имеет больший размер, чем другой, причем для осуществления электрического контакта с большим электродом использованы три контактные пружины, расположенные под углом около 120° друг к другу, а с меньшим электродом - одна контактная пружина.

ut. /

LoffZ

%7

Я Фиг f

Фаг. 5

2

Т.

Риг. ffФиг 7