Brevet FR2074620A1 — publié le 19711008

La présente invention se rapporte a des résonateurs en forme d'anneaux ou de rondelles en céramique piézoélectrique, et plus particulièrement elle concerne une structure améliorée et un montage pour des résonateurs de filtres en céramique piézoélectrique. Les résonateurs en forme d'anneaux en céramique piézoélectrique sont bien connus dans la technique et sont principalement utilisés pour des transducteurs ultrasoniques et des transducteurs électromécaniques de capteurs de vibrations. Ces résonateurs en forme d'anneaux en céramique piézoélectrique de la technique antérieure ont des dimensions relativement grandes et sont sous forme d'anneaux relativement épais ayant deux électrodes appliquées aux surfaces principales opposées. Des fils conducteurs ou des bornes conductrices peuvent etre aisément appliqués aux électrodes de ces résonateurs en forme d'anneaux en céramique piézoélectrique sans causer des variations des propriétés électromécaniques et des caractéristiques vibratoires de ceux-ci.D'autre part, les résonateurs en forme d'anneaux en céramique piézoélectrique pour des applications de filtre d'ondes en céramique piézoélectrique, en particulier, pour des filtres à fréquence intermédiaire de 455 KHz par exemple pour des récepteurs radio, sont petits et sont ainsi affectés par les fils conducteurs ou les bornes conductrices par rapport aux propriétés électromécaniques. En conséquence, un petit résonateur en forme d'anneaux en céramique piézoélectrique est capable de produire des réponses inutiles, et les vibrations de résonance de celui-ci sont susceptibles d'amortissement ou d'atténuation. De tels résonateurs ne sont pas ainsi appropriés pour l'utilisation comme filtre d'ondes en céramique piézoélectrique. En conséquence, un objet principal de la présente invention est de prévoir un résonateur en céramique piézoélectrique amélioré qui surmonte un ou plusieurs de ses désavantages. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un résonateur en céramique piézoélectrique nouveau qui réduit les réponses inutiles dans une gamme de fréquence requise. Un autre objet de la présente invention est de prévoir une structure de montage appropriée pour un résonateur en forme d'anneaux en céramique piézoélectrique à mode radial de vibration. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un résonateur en forme d'anneaux en céramique piézoélectrique amélioré qui est caractérisé par une largeur de bande appropriée pour un filtre en céramique à fréquence intermédiaire d'un récepteur ra io. Un autre objet de la présente invÉ--ntioe est de prévoir un eement de filtre en céramique piézoélectrique amélioré qui est petit en dimension. D'autres objets et caractéristiques de la présente invention apparaitront de la description suivante, raite en relation a vec les dessins ci-joints, dans lesquels La figure 1 est une vue en perspective d'un résonateur en forme d'anneaux en céramique piézoélectrique selon la présente invention. La figure 2 est un graphique montrant les caractéristiques de fréquence des admittances eleet.riqzlfos d'un resonateur en forme d'anneaux en céramique piézoélectrique représenté dans la figure 1, comparées avec un résonateur en céramique piézoélectrique conventionnel. En abscisses sont repréeés les fréquences en MHz et en ordonnées les admittances relatives en db. La figure 3a est une que en perspective d'une enveloppe ou boîtier selon la présente invention. La figure 3b est une vue en perspective d'un résonateur en forme d'anneaux en céramique piézoéleetrique modifié selon la présente invention, et La figure 3c est une vue en coupe d'un montage et d'une enveloppe d'un résonateur en forme d'anneaux en céramique piézoélectrique selon la présente invention. En se référant à la figure 1 la référence 10 désigne, dans son ensemble, un résonateur en forme d'anneaux en céramique piézoélectrique, qui comporte un anneau ou rondelle 12 mince en céramique piézoélectrique ayant deux électrodes 13 et 14 appliquées aux surfaces principales opposées de cet anneau. Deux plaques conductrices 20 et 20' sont fixées aux électrodes 13 et 14 par des couches adhésives 15 et 16, respectivement. Chacune-des plaques conductrices 20 et 20' comporte essentiellement une branche ou patte conductrice 21 et 21', et un anneau conducteur 22 et- 22', lequel anneau est sensiblement identique en dimension et en forme à l'anneau en céramique piézoélectrique 12.Les électrodes 13 et 14 recouvrent totalement les surfaces opposées principales de l'anneau mince 12 en céramique piezoelectrique L'anneau conducteur 22 est fixé solidement à l'électrode 15 par toute méthode appropriée, par exemple, par un adhésif époxy ou par soudure. L'autre anneau conducteur 22' est fixé de façon identique à l'électrode 14. Les pattes conductrices 21 et 21' ne sont pas opposées l'une à l'autre, tel que montré dans la figure 1. L'anneau 12 en céramique piézoélectrique est polarisé dans le sens de son épaisseur. En se référant à la figure 2, l'axe horizontal présente une fréquence en KHz, tandis que l'axe vertical représente les valeurs relatives d'admittance électrique en db. La courbe en trait plein représente l'admittance électrique d'un résonateur 10 en forme d'anneaux mince en céramique piézoélectrique de la présente invention, tel que montré dans la figure 1. La courbe en pointillés représente l'admittance électrique de l'anneau mince 12 en céramique, lorsqu'il est supporté par un fil conducteur soudé, attaché aux électrodes 13 et 14. L'anneau mince 12 en céramique a une fréquence de résonance fondamentale de mode radial de vibration à 455 KHz. Le résonateur 10 en forme d'anneaux est libre de réponses inutiles dans la gamme de fréquence de 500 KHz à 2.000 KHz. On a découvert selon la présente invention que le résonateur en céramique piézoélectrique, montré dans la figure 1, a des caractéristiques d'admittance-fréquence libres de réponses inutiles dans une large gamme de fréquence. La gamme de fréquence dans laquelle les réponses inutiles n'apparaissent pas peut être contrôlée en faisant varier le rapport diamètre intérieur/diamètre extérieur de l'anneau selon la présente invention. Il est nécessaire que le rapport diamètre intérieur/diamètre extérieur soit plus grand que 0,45 en vue de fournir une gamme de fréquence plus grande qu'environ 2 MHz. La limite supérieure du rapport des diamètres dépend du coefficient de couplage électromécanique du matériau utilisé pour l'anneau mince en céramique. Un rapport des diamètres plus élevé résulte en un anneau mince en céramique piézoélectrique ayant une résistance de résonance élevée et un Q mécanique faible. De plus, la capacitance statique de l'anneau mince en céramique piézoélectrique diminue avec une augmentation dans le rapport des diamètres. Le coefficient de couplage électromécanique effectif du résonateur en forme d'anneaux mince en céramique diminue également avec une augmentation dans le rapport des diamètres. Comme résultat, un filtre à fréquence intermédiaire utilisant un anneau mince en céramique piézoélectrique est prévu avec une impédance d'entrée excessive et une largeur de bande étroite. Un tel filtre n'est pas désirable, particulièrement dans un circuit amplificateur à fréquence intermédiaire pour des récepteurs radio à modulation d'amplitude. On a découvert selon la présente invention qu'un rapport des diamètres de 0,45 à 0,60 résulte en un résonateur en céramique piézoélectrique supérieur adapté pour un filtre à fréquence intermédiaire à 455 KHz lorsque l'anneau mince en céramique a un coefficient de couplage électromécanique de 0,35 à 0,40. Des plaques conductrices épaisses 20 et 20' amènent le résonateur ainsi obtenu à avoir un Q mécanique faible et à produire une vibration faible à une amplitude faible. De plus, lorsque la largeur de la patte conductrice 21 est grande, un-plus grand nombre de réponses inutiles est produit, tel qu'indiqué par la courbe en pointillés dans la figure 2. On a trouvé que si chacune des plaques conductrices 20 et 20' a une épaisseur moindre que 5 fi de l'épaisseur de l'anneau 12 en céramique, et que si chacune des pattes conductrices 21 et 21' a une largeur plus petite que3/10 du diamètre extérieur de l'anneau mince 12 en céramique, alors une performance optimum est obtenue dans un tel résonateur en forme d-'anneaux mince en céramique piézoélectrique selon la présente invention-. Un résonateur en forme d'anneaux mince en céramique piézoélectrique peut être aisément monté dans une petite enveloppe selon la présente invention. En se référant à la figure 3a, une enveloppe 30 selon la présente invention comprend essentiellement trois parties, c'est-à-dire deux couvercles 31 et 31' et un bâti 32 sous forme d'anneau ayant une saillie 33--ayant--deux -surfaces planes. Deux bornes conductrices 34 et 35 sont collés sur les surfaces planes, respectivement. L'enveloppe- 30 est constituée en tout matériau isolant approprié, tel qu'une résine époxy, du verre ou de la céramique. Un résonateur en céramique piézoélectrique selon la présente invention peut avoir deux pattes se faisant face l'une à l'autre, tel que montré dans la figure 3b, dans laquelle des références semblables indiquent des éléments identiques à ceux de la figure 1. Les pattes 21 et 21' sont agencées pour pincer fermement la saillie 33 de l'enveloppe 30 et contacter les bornes conductrices 34 et 35, tel que montré dans la figure 3c. Après insertion du résonateur 10 en forme d'anneaux en céramique piézoélectrique dans le bâti 32 en forme d'anneau, les couvercles 31 et 31' sont fixés sur ce bâti. Des disques entretoises 36 et 36' constitués en matériaux spongieux sont insérés entre le résonateur 10 en forme d'anneaux en céramique et les couvercles 31 et 31' pour supporter tout choc et vibration extérieurs sur le résonateur. Un résonateur en forme d'anneaux en céramique piézoélectrique selon la présente invention est fabriqué en utilisant un matériau en céramique piézoélectrique, par exemple, le matériau en céramique piézoélectrique décrit dans le brevet américain n 3.268.453 en forme d'un anneau mince en céramique ayant les dimensions telles que mentionnées dans le tableau 1, TABLEAU 1 Echantillon n0 1 2 3 4 5 6 7 - Diamètre extérieur en mm. 3,41 3,54 3,43 3,40 3,67 3,10 5,50 - Diamètre intérieur en mm. 1,86 1,78 1,70 1,72 1,70 1,86 0 - Epaisseur ............... 0,52 0,41 0,32 0,26 0,32 0,32 0,32 Remarque : L'échantillon n 7 est un résonateur en forme de disque avec la même fréquence de résonance. tableau dans lequel les rapports diamètre intérieur/diamètre extérieur de l'échantillon n 1 à l'échantillon n 4 sont environ 0,5. Les rapports des diamètres des échantillons n 5 et 6 sont environ û,45 et 0,6, respectivement. Le matériau en céramique piézoélectrique a des caractéristiques piézoélectriques telles que mentionnées dans le tableau 2. TABLEAU 2 Constante de fréquence 2.400 KHz-mm Stabilité de fréquence - avec le temps ...................... 0,05 %/décade - avec la température ............... 30 x 10 6/G Constante diélectrique .............. 1.350 Coefficient de couplage électromécanique 0,36 Q mécanique ......................... 1.300 Remarque : mode de vibration radiale d'un disque. Dans un exemple de réalisation spécifique du résonateur en forme d'anneaux en céramique piézoélectrique selon la présente invention, le résonateur en forme d'anneaux en céramique est caractérisé comme étant libre de réponses inutiles dans la gamme large de fréquence de 500 KHz à environ 2 MHz, en ayant une largeur de bande appropriée pour un filtre en céramique à fréquence intermédiaire à 455 KHz pour des récepteurs radio et comme étant de petites dimensions telles que mentionnées dans le tableau 3. TABLEAU 3 Echantillon 1 2 3 4 5 6 7 n 1 2 3 4 5 6 7 Fréquence de résonance en KHz 455 457 457 460 446 455 455 Largeur de bande en Kz 11,3 11,6 ll,û 12,0 12,2 10,2 25,3 Résistance de résonance en Ohm 59 44 28 31 47 57 Capacitance en pF 180 230 290 36û 330 220 430 Réponse inutile la plus basse en MHz 2 51 2,27 2,26 2,31 1,99 2,70 1,12 Remarque : L'échantillon n 7 est l n résonateur en forme de disque avec la même fréquence de résonance. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'etre dits, elle e3t au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Résonateur en céramique piézoélectrique agencé pour un filtre à fréquence intermédiaire, caractérisé en ce qu'il comporte un anneau mince en céramique piézoélectrique ayant deux électrodes appliquées sur ses surfaces principales opposées et deux plaques conductrices comprenant chacune essentiellement une patte ou branche conductrice et un anneau conducteur essentiellement identique en dimension et forme à l'anneau en céramique piézoélectrique, cet anneau en céramique étant en résonance fondamentale de mode de vibration radiale. 2 - Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'anneau en céramique piézoélectrique a un rapport diamètre intérieur/diamètre extérieur de 0,45 à 0,60. 3 - Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des plaques conductrices a une épaisseur moindre que 5 % de l'épaisseur de l'anneau en céramique et en ce que chacune des pattes ou branches conductrices a une largeur moindre que 3/10 du diamètre extérieur de cet anneau en céramique. 4 - Résonateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est monté dans une enveloppe comportant une saillie ayant deux surfaces planes opposées, les pattes ou branches conductrices étant fixées aux bornes conductrices formées sur ces deux surfaces planes opposées.