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Elektromechanisches Filter
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisches Filter, bestehend aus metallischen Resona- toren, die in Längsschwingungen über piezoelektrische Anregungselemente erregt werden und von denen im Filter aufeinanderfolgende, über im Schwingungsknoten angreifende Kopplungsstücke miteinander ge- koppelt sind, deren Länge wesentlich kürzer als ein Viertel der Wellenlänge im Material des Kopplungs- stückes gewählt ist, und deren Querschnittsabmessungen derart gross gewählt sind, dass die durch Scherung begründete Kopplung aufeinanderfolgender Resonatoren einen vorgegebenen Wert erreicht.
Ein derartiges elektromechanisches Filter dient z. B. zur Verbindung zweier aufeinanderfolgender
Verstärkerstufen. Die Aufgabe des Filters ist hiebei, nur ein bestimmtes Frequenzband zu übertragen und alle andern Frequenzen so weitgehend als möglich zu unterdrücken. In diesem Zusammenhang kommt es darauf an, die Kopplung möglichst genau nach vorgegebenen Bedingungen für die einzelnen Längsschwinger zu dimensionieren. Bei einer bekannten Anordnung sind zu diesem Zweck die Kopplungsstücke jeweils ein Viertel der Materialwellenlänge lang und zur Kopplung werden die Zug- und Druckkräfte ausgenutzt, die in Richtung des Kopplungselementes dadurch auftreten, dass sich der Längsschwinger im Takte seiner Resonanzfrequenz im Knotenbereich im Durchschnitt verjüngt und verdickt.
Nachteilig an dieser Kopplungsmethode ist, dass einerseits das Filter geometrisch sehr gross und damit mechanisch anfällig wird. Anderseits werden durch diese Art der Kopplung aufeinanderfolgende Resonatoren stark zu Biegeoberschwingungen angeregt.
Es ist eine weitere Filteranordnung bekannt, bei der aus einem dünnen Blechstreifen eine über kleine, Scherungskräfte übertragende Kopplungsstücke zu einer starren Einheit verbundene Reihe von Längsschwingern hergestellt ist. Die Anregung dieser Langsschwmger erfolgt bei dieser bekannten Anordnung magnetostriktiv. Abgesehen davon, dass bei dem aus einem Blechstreifen gefertigten Filter die Gefahr. von Nebenresonanzen gegeben ist, ist der Gesamtwirkungsgrad dieses Filters relativ gering, wenn nicht besonders grosse Aufwendungen für die Einkopplung und Auskopplung des Filters gemacht werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, auf dem es möglich ist, diesen Schwierigkeiten zu begegnen.
Ausgehend von einem elektromechanischen Filter, bestehend aus metallischen Resonatoren, die in Längsschwingungen über piezoelektrische Anregungselemente erregt werden und von denen im Filter aufeinanderfolgende, über im Schwingungsknoten angreifende Kopplungsstücke miteinander gekoppelt sind, deren Länge wesentlich kürzer als ein Viertel der Wellenlänge im Material des Kopplungsstückes gewählt ist, und deren Querschnittsabmessungen derart gross gewählt sind, dass die durch Scherung begründet Kopplung aufeinanderfolgender Resonatoren einen vorgegebenen Wert erreicht, wird diese Aufgabe gemäss der Erfindung in der Weise gelöst, dass das einzelne piezoelektrische Anregungselement aus einem dünnen Plättchen von elektrostriktivem Material besteht,
das an einem in Schwingungsrichtung gelegenen Ende des damit zu versehenden Resonators befestigt und mit einem gegenüber dem metallischen Resonator als weitere Elektrode dienenden, dünnen leitenden Belag versehen ist.
Es ist an sich zwar bekannt, dass man bei einem elektromechanischen Filter einen Teil des einzelnen Resonators durch elektrostriktives Material ersetzen kann. Diese bekannten Anregungselemente gehen indessen davon aus, dass beispielsweise der Resonator in einem mittleren Bereich aufgeschnitten und dort
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das piezoelektrische Material eingebracht wird, oder dass, in Längsrichtung des Resonators betrachtet, ein längerer Streifen des gesamten Resonators aus elekrostriktivem Material besteht. Die erstgenannte Ausfüh- rung wirkt ähnlich einem nur Zug-und Druckkräfte liefernden System, während die letztgenannte Art der Ausbildung eines Kopplungselementes darauf hinausläuft, dass sozusagen eine Längsfaser des Resonators im Takte der zugeführten Wechselspannung zusammengezogen und gedeckt wird.
Für den Erfindungsgegenstand ist es dagegen wesentlich, dass die Reaktionskraft des frei an den Resonatorenden aufgebrachten Plättchens die Anregungsenergie vermittelt. Gerade hiedurch lässt sich nämlich ein besonders guter Wirkungsgrad erreichen, bei geringster Beeinflussung der frequenzmässigen Eigenschaften des gesamten Resonators.
Besonders vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn der einzelne Längsschwinger einen etwa quadratischen oder sich dem Quadrat wenigstens einigermassen annähernden Querschnitt hat. Lässt man nämlich bei dieser Ausführung, so wie bei den nachstehenden Ausführungsbeispielen gezeigt, das Plättchen aus piezoelektrischem Material schlüssig am Rande mit dem Schwinger abschliessen, so wird eine äusserst wirkungsvolle Kopplung erreicht, was darauf beruht, dass das piezoelektrische Material im Hinblick auf den einzelnen Schwinger ähnlich einem Reaktionskraft-Antrieb wirkt.
Weiterhin hat es sich als zweckmässig erwiesen, wenn an beiden in Schwingungsrichtung gelegenen Enden einesResonators dünne PlättcherauselektrostriktivemMaterial zusammen mitihren dünnen leitenden Belägen vorgesehen sind.
Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn die Halterung des Filters über Drähte erfolgt, die im Bereich der senkrecht zu den Resonatorachsen liegenden Schwingungsknotenebene zumindest an den äussersten Resonatoren befestigt sind.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die Fig. l zeigt ein dreikreisiges elektromechanisches Filter, bestehend aus den drei Längsschwingern 1, 2 und 3, die über die Koppelbrücken 4 und 5 miteinander gekoppelt sind. An den Endresonatoren 1 und 3 sind die freien Enden jeweils mit einer kleinen Scheibe 6, 6'und 7, 7'aus elektrostriktivem Material, insbesondere elektrostriktiver Keramik, versehen. Dieses Material ist beispielsweise durch eine der be- kannten Metall-Keramik-Lötverbindungen oder durch Klebung auf den Endresonatoren befestigt. An den freienFlächen sind dieEndscheiben 6, 6' und 7, 7'jeweils mit einer Metallisierung, vorzugsweise einem aufgedampften Goldbelag, versehen, an der Anschlussdrähte 8, 8'und 9, 9' gut leitend befestigt sind.
Diese Anschlussdrähte sind sehr flexibel Die Halterung des Schwingungssystems erfolgt über mechanische Tragdrähte 10, die in der Nullebene an den Endresonatoren l bzw. 3, beispielsweise mittels einer Punktschweissung oder Lötung befestigt sind. Unter der Nullebene wird dabei die Ebene verstanden, die bei der Längsschwingung des Resonators in Ruhe bleibt. Man bezeichnet diese Ebene häufig auch als neutrale Zone. Die Kopplungsbrücken 4 und 5 liegen beim Ausführungsbeispiel symmetrisch, zu dieser neutralen Zone und haben eine gegenüber einem Viertel der Material-Wellenlänge kleine Länge L Die wesentliche Kopplung geschieht bei diesen Kopplungsstücken durch entsprechende Bemessung ihrer Breite b und ihrer beim Ausführungsbeispiel durch die Dicke d des Resonators bestimmte Stärke.
Diese Stärke kann jedoch auch geringer als die Dicke d des Resonators gewählt werden. Durch diese Ausbildung ist sichergestellt, dass
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wählen. Damit ist aber auch die Bandbreite des Filters beliebig wählbar, soweit sie durch die Kopplung beeinflusst werden kann.
Die Tragdrähte 10 können auch so, wie in Fig. 2 für ein vierkreisiges Filter gezeigt, nur auf einer Seite des Filters vorgesehen werden und aus einem durchgehenden Leiter 18 bestehen.
In Fig. 3 ist ein so ausgebildeter Endresonator für sich dargestellt. Die beiden Anschlüsse 8 und 9 führen zu den leitenden Belägen, während der Anschluss 10 mit dem vorzugsweise aus Stahl bestehenden restlichen Teil des Resonators leitend verbunden ist. Es wird hiedurch ein Ersatzschaltbild erhalten, wie es Fig. 4 wiedergibt. Zwischen den Anschlüssen 8 und 10 bzw. 9 und 10 liegt demzufolge jeweils die Parallelschaltung eines Serien-Resonanzkreises mit einer Parallelkapazität, wobei die Induktivitäten der Serienresonanzkreise miteinander gekoppelt sind. Physikalisch betrachtet erfolgt die Anregung des zu einem Kopplungsorgan ergänztenEndschwingers durch die Dickenänderung des elektrostriktiven Materials in Richtung der Längsachse des Resonators.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass das elektromechanisch aktive Material mit dem nichtaktiven Material, sozusagen belastet ist, wodurch der elektromechanische Kopplungsfaktor zurückgeht. Da jedoch vor allem bei Verwendung elektrostriktiver Keramik, die Kopplungsfaktoren sehr hoch sind und für Filterzwecke je nach der Bandbreite nur relativ geringe Kopplungswerte benötigt werden, kann der Keramikteil gering gehalten werden, wodurch sich der gute Tempera-
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turkoeffizient der Frequenz erreichen lässt. Vor allem bei Verwendung von Stahl für den mechanisch nichtaktiven Teil wird so wegen des guten Temperaturkoeffizienten von Stahl und des nur geringen Keramikanteiles eine nur sehr geringe Abhängigkeit der Resonatorfrequenz von der Temperatur erhalten.
Prinzipiell ist auch eine in einem gewissen Bereich wenigstens nahezu völlige Temperaturkompensation in der Weise möglich, dass für das elektrostriktive Material eines mit einem zum verwendeten Resonatormetall gerade gegensätzlichen Temperaturkoeffizienten vorgesehen wird und dass die Querschnitte und Anteile dieser beiden Materialien derart aufeinander abgestimmt werden, dass praktisch eine Temperaturunabhängigkeit erreicht wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektromechanisches Filter, bestehend aus metallischen Resonatoren, die in Längsschwingungen über piezoelektrische Anregungselemente erregt werden und von denen im Filter aufeinanderfolgende, über im Schwingungsknoten angreifende Kopplungsstücke miteinander gekoppelt sind, deren Länge wesentlich kürzer als ein Viertel der Wellenlänge im Material des Kopplungsstückes gewählt ist, und deren Querschnittsabmessungen derart gross gewählt sind, dass die durch Scherung begründet Kopplung aufeinanderfolgender Resonatoren einen vorgegebenen Wert erreicht, dadurch gekennzeichnet, dass das einzel ne piezoelektrischeAnregungselement aus einem dünnen Plättchen von elektrostriktivem Material besteht,
das an einem in Schwingungsrichtung gelegenen Ende des damit zu versehenden Resonators befestigt und mit einem gegenüber dem metallischen Resonator als weitere Elektrode dienenden dünnen leitenden Belag versehen ist.