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村田陶瓷諧振器壓電振動模式控制應用研究

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瀏覽：- 發布日期：2019-04-25 09:25:19【大中小】

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壓電振動模式控制及其在無鉛壓電陶瓷中的應用研究

壓電陶瓷廣泛用于諧振裝置應用,例如信號處理濾波器和諧振器,致動器和發聲器應用,其中電信號被轉換成機械位移,振動或聲音,以及傳感器應用,其中機械沖擊或應力被轉換成電信號.控制在壓電體內部傳播的彈性振動波的行為對于電信號和機械信號的這種轉換是重要的.

壓電陶瓷的極化結構和晶粒結構的某些設計使得能夠獲得以前不可能的獨特特征.本文基于陶瓷雙層技術的壓電陶瓷極化結構設計,提出了一種能量俘獲現象(彈性振動集中在電極區域的現象).

村田陶瓷諧振器壓電振動模式控制應用研究

Poling結構設計對厚度延伸模式的能量俘獲

厚度延伸振動的基本振動模式和奇數次諧波模式與厚度剪切振動的偶數次諧波模式耦合.厚度延伸振動的基波模式(TE1模式)與厚度剪切振動(TS2模式)的二階諧波模式耦合.因為TE1模式和TS2模式的共振頻率彼此接近,所以波數和晶振頻率具有這樣的關系(色散關系),其中由于材料的彈性特性的不同,它們彼此施加強烈的影響.如果各向同性介質中的泊松比小于1/3,則TE1模式的共振頻率將小于TS2模式的共振頻率.

具有熱穩定特性的壓電陶瓷晶振如鈦酸鉛顯示出這種分散關系.圖1中的虛線表示形成電極的區域的頻率變化.另外,在圖1中,縱軸右側的波數是實數,左側的波數是虛數.波數的虛數值意味著不傳播振動波.看一下TE1模式的電極區域(虛線)和非電極區域(實線)的色散關系,沒有電極區域是實數的頻率,非電極區域變成虛數的頻率數.

圖1 TE1模式(a)和TE2模式(b)中振動波的色散關系

歸一化頻率由下式給出計算式,并且總諧振器厚度的一半表示為h.實線和虛線分別表示傳播非電極區域的振動波和傳播電極區域的振動波的色散關系.

換句話說,對于TE1模式振動波沒有頻率區域,其中電極區域僅傳播,并且非電極區域不傳播.如圖2所示制造TE1模式諧振器,并測量阻抗諧振特性(圖3(a)).這表明通過非電極區域傳播并在元件端反射的多個波疊加在電極上.

村田陶瓷諧振器壓電振動模式控制應用研究

圖2單板TE1模式諧振器的示意圖

橫截面視圖中的箭頭表示壓電陶瓷的極化方向.電極直徑d為1mm,諧振器的總厚度為0.2mm.

另一方面,由于圖4所示的雙層結構而發生激勵的厚度延伸振動的二次諧波模式(TE2模式)與奇數階厚度剪切模式耦合,并且它不耦合偶數階厚度剪切模式.因此,TE2模式的色散關系不與具有最接近共振頻率的厚度剪切模式TS4模式耦合.結果,這表現出彈性波與TE2模式的固有色散關系,即,隨著頻率增加波數增加的色散關系.