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Elektromechanischer Biegeschwinger
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magnetostriktivem Material bestehender Schwingkörper mit einer zweiteiligen Wandlerwicklung versehen ist, die die erforderliche Inhomogenität des auf den Schwingkörper einwirkenden magnetischen Feldes in der Weise erzeugt, dass der hinsichtlich seines Werkstoffes homogene Schwingkörper entlang seiner Knotenebene in zwei Hälften aufgeteilt ist, von welchen die eine Hälfte Zugkräften unterliegt, wenn in der andern im betrachteten Zeitmoment Druckkräfte wirksam sind. Bei einer derartigen Anordnung ist es je- doch unumgänglich, ein magnetisches Gleichfeld zu erzeugen, was einen zusätzlichen technischen Auf- wand erforderlich macht.
Wenn ein magnetostriktiver Schwinger als elektrischer Vierpol betrieben wird, ist ferner mit der Schwierigkeit der Schirmung zwischen Eingangs-und Ausgangswicklung zu rechnen. Bei mangelhafter Schirmung entsteht nämlich eine direkte Überkopplung zwischen Eingangs-und Ausgangs- wicklung, wodurch verhältnismässig hohe Dämpfungsanforderungen nicht mehr erfüllbar sind.
Der Erfindung liegt unter anderem die Aufgabe zugrunde, gerade den vorstehend genannten Schwierigkeiten in verhältnismässig einfacher Weise zu begegnen.
Ausgehend von einem elektromechanischen Biegeschwinger, insbesondere Endschwinger eines mehrteiligen elektromechanischen Filters, der die Form eines Stabes mit vorzugsweise kreis- oder rechteckförmigem Querschnitt hat und aus einem schwingungsfähigen Material, gegebenenfalls Stahl, besteht und der durch mit elektrisch leitenden Belägen versehene Plättchen aus elektrostriktivem Material zu einem Wandler für den Übergang von elektrischen Schwingungen auf mechanische Biegeschwingungen und umgekehrt ausgebildet ist, wird diese Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst,
dass zwischen der von der neutralen Faser des Biegeschwingers gebildeten Ebene und wenigstens einer seiner parallel zur neutralen Faser verlaufenden äusseren Begrenzungsflächen wenigstens ein Plättchen elektrostriktiven Materials mit zumindest näherungsweise senkrecht zur Längsachse des Biegeschwingers verlaufender Plättchenebene und vorwiegend innerhalb des durch zwei Schwingungsknoten begrenzten Bereiches angeordnet ist, und dass dem aus elektrostriktivem Material bestehenden Plättchen eine zumindest näherungsweise in Richtung der Längsachse des Biegeschwingers verlaufende Polarisation aufgeprägt ist.
Es ist hiebei vorteilhaft, wenn wenigstens je ein Plät¯chen zu beiden Seiten der neutralen Faser des Biegeschwingers angeordnet-ist, und wenn diese vorzugsweise in einer Querschnittsebene des Biegeschwingers liegenden Plättchen entgegengesetzt polarisiert sind.
Vorteilhaft lässt sich ein elektromechanischer Biegeschwinger in der Weise ausbilden, dass wenigstens zwei Paare von Plättchen elektrostriktiven Materials vorzugsweise symmetrisch zum Ort maximaler Auslenkung des Biegeschwingers angeordnet sind, und dass das eine Plättchenpaar der Schwingungsanregung dient, während das andere Plättchenpaar die mechanischen Schwingungen in elektrische Schwingungen umwandelt.
Eine für die Praxis gilnstige Ausführungsform ist ferner dann gegeben, wenn die aus elektrostriktivem Material bestehenden Plättchen durch je eine metallische Schicht, vorzugsweise eine Silberschicht unterteilt sind, die in einer zumindest näherungsweise senkrecht zur Längsachse des Schwingers liegenden Ebene verläuft, und wenn diese leitenden Schichten mit Anschlussdrähten versehen sind.
Hiebei ist es vorteilhaft, WeD'1 die Polarisation der unterhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen in bezug auf die Polarisation der oberhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen derart gewählt ist, dass die Ausgangsspannung entweder in Phase oder in Gegenphase mit der anregenden Spannung ist.
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tors ausgebildet sein, bei dem in wenigstens einem der Stimmgabelarme längs der neutralen Faser unter- teilte, entgegengesetzt polarisierte Plättchen aus einem elektrostriktiven Material angeordnet sind. Hiebei ist es vorteilhaft, wenn bei Verwendung je eines Anregungssystems in beiden Stimmgabelarmen die Polarisation der elektrostriktiven Plättchen derart gewählt ist, dass die Ausgangsspannung entweder in Phase oder in Gegenphase mit der anregenden Spannung ist.
Vorteilhaft lässt sich ein erfindungsgemässer elektromechanischer Biegeschwinger auch in der Weise realisieren, dass wenigstens ein mit Anregungselektroden versehenes Plättchen elektrostriktiven Materials in wenigstens einen im Biegeschwinger vorgesehenen Schlitz eingebracht ist, und dass zwischen wenigstens einer der Anregungselektroden und dem Biegeschwinger eine elektrisch isolierende Zwischenschicht liegt.
Bei derartigen Biegeschwingern ist es vorteilhaft, wenn zwei entgegengesetzt polarisierte, durch eine elektrisch leitende Schicht getrennte Plättchen elektrostriktiven Materials in den im Biegeschwinger angeordneten Schlitz eingebracht sind.
Vorteilhafte Ausführungsformen elektromechanischer Biegeschwinger sind ferner dann gegeben, wenn im Biegeschwinger zwei, nur auf einer Seite der neutralen Faser liegende Schlitze angeordnet sind, in die mit Anregungselektroden versehene Plättchen aus elektrostriktivem Material eingebracht sind oder wenn im Biegeschwinger zu beiden Seiten der neutralen Faser liegende Schlitze angeordnet sind, in die mit
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Anregungselektroden versehene Plättchen aus elektrostriktivem Material eingebracht sind.
Weiterhin ist es gunstig, wenn der Biegeschwinger die Form eines Stimmgabelresonators hat, und wenn die mit Anregungselektroden versehenen Plättchen aus elektrostriktivem Material zwischen den bei- den Gabelzinken angeordnet sind oder wenn der Biegeschwinger die Form eines Stimmgabelresonators hat, und wenn die mit Anregungselektroden versehenen Plättchen aus elektrostriktivem Material in einen im
Verbindungsstück der beiden Gabelzinken liegenden Schlitz eingebracht sind.
Bei derartigen Stimmgabelresonatoren kann vorteilhafterweise zwischen den elektrostriktiven Plätt- chen ein Abstandsstück aus einem elektrisch isolierenden Material, vorzugsweise Quarzglas, angeordnet sein.
Zur Realisierung elektrischer Mehrpole mittels elektromechanischer Biegeschwinger ist es vorteilhaft, wenn die Plättchen aus elektrostriktivem Material mehrfach durch elektrisch leitende Zwischenschichten unterteilt sind.
Die aus elektrostriktivem Material bestehenden Plättchen lassen sich in einfacher Weise mittels einer mechanischen Vorspannung vorgegebener Grösse im Schwinger befestigen.
Erforderlichenfalls kann der elektromechanische Biegeschwinger auch aus einem elektrisch nichtlei- tenden Material, wie beispielsweise Quarzglas bestehen.
Der sogenannte transversale piezoelektrische Effekt lässt sich zur Schwingungsanregung in der Weise ausnutzen, dass in den im Biegeschwinger vorgesehenen Schlitz ein mit Anregungselektroden versehenes
Plättchen aus elektrostriktivem Material eingebracht ist, dessen Schwingungsanregung senkrecht zur ge- wünschten mechanischen Dehnung erfolgt.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen die Fig. l-4 über den longitudinalen Piezoeffekt angeregte Biegeschwinger, die Fig. 5 und 6 elektrische Ersatzschaltbilder bei zweipoligem Betrieb, die Fig. 7 das elektrische Ersatz- schaltbild, wenn die in den Fig. 3 und 4 gezeichneten Biegeschwinger als Vierpol betrieben werden, die
Fig. 8 einen stimmgabelförmigen Biegeschwinger, bei dem die elektrostriktiven Anregungselemente in den Stimmgabelarmen vorgesehen sind, die Fig. 9 - 12 über den longitudinalen Piezoeffekt angeregte
Biegeschwinger, bei denen die elektrostriktiven Anregungselemente in einen im Schwinger vorgesehenen
Schlitz eingebracht sind, die Fig. 13 das elektrische Ersatzschaltbild des in der Fig.
12 gezeichneten
Biegeschwingers, die Fig. 14 -16 stimmgabelförmige Biegeschwinger, bei denen die elektrostriktiven Anregungselemente zwischen den Gabelzinken bzw. im Stimmgabelfuss angeordnet sind, die Fig. 17 einen als elektrischenMehrpol ausgebildetenBiegeschwingerund dieFig. 18 einen Biegeschwinger, bei dem zur
Schwingungsanregung der sogenannte transversale piezoelektrische Effekt ausgenutzt wird.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemässer mechanischer Biegeschwinger dargestellt, der aus den quaderför- migen Stahlteilen 1 und 2 besteht, die über die Plättchen 3 und 4 aus einem elektrostriktiven Material beispielsweise durch Lötung fest miteinander verbunden sind. Das elektrostriktive Material ist hiebei derart im Querschnitt des Schwingers angeordnet, dass zwischen den Plättchen 3 und 4 längs der neutralen Faser 13 ein Spalt S verbleibt. Als elektrostriktiv aktives Material wird vorteilhafterweise eine Bleikeramik (Bleizirkonat) verwendet, wiesiez. B. unter dem Handelsnamen PZT 6 der FirmaClevite bekannt ist.
Diese Keramik eignet sich hiefür deshalb besonders gut, weil ihr Curiepunkt über 3000C liegt und somit eine den Keramikplättchen aufgeprägte Polarisation durch den Lötvorgang zur Verbindung der Stahlteile mit den Keramikplättchen nicht mehr beeinträchtigt wird. Um eine einwandfreie Lötung sicherzustellen, ist es erforderlich, die Keramikplättchen 3 und 4 auf der den Stahlteilen zugewendeten Seite mit einer Silberschicht zu versehen, die in der üblichen Weise, z. B. durch Aufdampfen im Vakuum, aufgebracht sein kann. Diese Silberschichten dienen dann gleichzeitig als Elektroden zum Anlegen der Polarisationsspannung an die Keramikplättchen.
Die den Keramikplättchen durch eine Gleich- stromvorbehandlu'1g aufgeprägte Polarisation wird bei dem in Fig. 1 dargestellten Schwinger so angenommen, wie es durch die Pfeile 5 und 6 angedeutet ist, dass nämlich die Polarisationsrichtung in der Achsrichtung des Schwingers liegt, u. zw. ist das oberhalb der neutralen Faser liegende Plättchen 3 entgegengesetzt zu dem unterhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen 4 polarisiert. In den Schwingungsknoten 7 und 8 sind dünne Anschlussdrähte 9 und 10 zur Zuführung der Wechselspannung U angelötet. Weiterhin sind in den Schwingungsknoten die Drähte 11 und 12 befestigt, die der Übertra- gung der Biegeschwingung auf weitere mechanische Resonatoren oder der Verankerung des Schwingers in einem nicht näher dargestellten Gehäuse dienen.
Wenn an die Drähte 11 und 12 weitere mechanische Resonatoren angeschlossen sind, dann lässt sich der Schwinger 1, 2 als Endschwinger eines mehrteiligen mechanischen Filters auffassen.
Die Fig. 2 zeigt eine Ansicht in Längsrichtung des in der Fig. 1 dargestellten Schwingers, u. zw. für
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den Fall, dass an die Stahlteile 1 und 2 über die in den Schwingungsknoten 7 und 8 befestigten Zu- führungsleitungen 9 und 10 eine Wechselspannung U angelegt ist, deren Frequenz zumindest näherungsweise mit der Eigenfrequenz des Schwingers übereinstimmt. Entsprechend der den elektrostriktiven Plättchen aufgeprägten, durch die Pfeile 5 und 6 angedeuteten Polarisation, dehnt sich das oberhalb der neutralen Faser liegende Plättchen 3 unter dem Einfluss des elektrischen Feldes aus, während sich das unterhalb der neutralen Faser liegende Plättchen 4 unter dem Einfluss des elektrischen Feldes zusammenzieht.
Dadurch wird der Schwinger-wie in Fig. 2 angedeutet ist-entsprechend den für die elastische Linie gültigen Gesetzen durchgebogen. Wenn sich die Polarität der angelegten Wechselspannung umkehrt, zieht sich das Plättchen 3 zusammen, während sich das Plättchen 4 ausdehnt, so dass sich der Schwinger in der entgegengesetzten Richtung durchbiegt. Dieser Schwingungszustand ist in Fig. 2 nicht mehr dargestellt.
Der Schwinger fahrt somit ausgeprägte Biegeschwingungen im Takt der angelegten Wechselspannung aus, u. zw. symmetrisch zu einer durch die Schwingungsknoten 7 und 8 festgelegten Ebene. Um die
Anregung störender Schwingungen zu vermeiden, sind die Keramikplättchen 3 und 4 entlang der neu- ! lralen Faser 13 derart unterteilt, dass der Spalt S entsteht. Diese Massnahme ist deshalb erforderlich, weil die in Richtung der Stabachse wirkenden Kräfte an der neutralen Faser ihr Vorzeichen umkehren. Wie
Fig. 2 zu entnehmen ist, stimmen die durch das elektrische Wechselfeld erzeugten Dehnungen bzw.
Ver- kürzungen der elektrostriktiven Plättchen 3 und 4 mit der Richtung der bei der Biegung auftretenden Zug- und Druckkräfte überein. so dass die Schwingungsanregung über den sogenannten longitudinalen
Piezoeffekt erfolgt. Wegen der durch die Poissonsche Zahl festgelegten Verkettung der Längsdehnung mit der Querkontraktion lässtsich durch die Ausnutzung des longitudinalen Piezoeffektes gegenüber einem ver- gleichbaren, über den transversalen Piezoeffekt angeregten Schwinger ein etwa dreimal grösserer Kopp- lungsfaktor erreichen bzw. ist zur Erzielung des gleichen Kopplungsfaktors eine etwa um das Quadrat der
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Verbesserung eer Temperaturkonstanz und der Güte des Schwingers ergibt.
Da sich auch die Flächen, an denen elektrostriktives Material und Stahl zusammenstossen, gegenüber einem vergleichbaren, über den transversalen Effekt angeregten Schwinger wesentlich verkleinern, vermindert sich auch der störende Ein- fluss, den die Lötschicht auf die Konstanz des Schwingers ausübt. In einfacher Weise kann der Kopplung- faktor auch dadurch beeinflusst werden, dass die Keramikplättchen 3 und 4 gegenüber der Schwinger- achse nicht exakt in einem Winkel von 900. sondern in einem von diesem Wert abweichenden Winkel an- geordnet werden.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemässen Anregungssystems ist in Fig. 3 dargestellt. Hiebei setzt sich der Schwinger aus den Stahlteilen 14, 15 und 16 zusammen, die mit den elektrostriktiven Plätt- chen 17, 18, 19 und 20 fest verlötet sind. Zur Halterung des Systems in einem Gehäuse sind die inden Schwingungsknoten befestigten Drähte 11 und 12 vorgesehen. Die Schwingungsanregung erfolgt in der bereits beschriebenen Weise durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung Ue an die Stahlteile 14 und 15. Anderseits werden auf Grund der Biegeschwingungen des Stabes die elektrostriktiven Plättchen 19 und 20 gedehnt bzw. verkürzt, so dass wegen des Piezoeffektes zwischen den Stahlteilen 15 und 16 eine Wechselspannung Ua entsteht, die dann über die Drähte 23 und 24 abgenommen werden kann.
Da die Zuführungsdrähte 22 und 23 am Mittelteil 15 des Schwingers, also an dem Teil mit der grössten Durchbiegung, befestigt werden müssen, ist es zweckmässig, vor allem für diese beiden Zuführungsdrähte, die auch in einem gemeinsamen Draht zusammengefasst werden können, flexible und sehr leichte Drähte zu verwenden, die wegen ihrer geringen Masse die Biegeschwingungen des Resonators nicht beeinflussen.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist zur Schwingungsanregung ein elektrostriktives Material verwendet, dessen Curiepunkt unterhalb der Löttemperatur liegt. Ein derartiges Material ist z. B. das bekannte Calzium-Barium-Titanat. Der Schwinger setzt sich aus den Stahlteilen 25 und 26 sowie aus den elektrostriktiven Plättchen 27, 28, 29 und 30 zusammen. Das elektrostriktiv aktive Material ist derart im Querschnitt des Schwingers angeordnet, dass entlang der neutralen Faser ein Spalt S verbleibt. Die Plättchen 27 und 28 sowie die Plättchen 29 und 30 sind zu beiden Seiten von elektrisch leitenden Schichten 31 und 31'angeordnet, die vorzugsweise aus Silber bestehen und die in der üblichen Weise aufgedampft sind.
In den Schwingungsknoten sind die Zuführungsdrähte 32 und 33 befestigt, die bei entsprechend starker Ausbildung vorteilhaft gleichzeitig zur Verankerung des Schwingers in einem in den Zeichnungen aus Gründen der Übersichtlichkeit fortgelassenen Gehäuse dienen können. Die Silberschichten 31 und 31'sind mit weiteren ZufUhrungsdrähten 34 und 35 versehen. Die Aufteilung des elektrostriktiven Materials durch die Silberbeläge 31 und 31'ist insofern erforderlich, als die Polarisations-
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spannung erst dann angelegt werden kann, wenn die einzelnen Bestandteile des Schwingers miteinander verlötet sind.
Eine vor dem Lötvorgang den Keramikplättchen 27 - 30 aufgeprägte Polarisation wUrde durch die Lötung wieder unwirksam gemacht werden, da die Curietemperatur des Calzium-Barium-
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- 30und 26 nicht in elektrisch leitender Verbindung, so dass die Polarisationsspannung nach der Fertigstellung des gesamten Schwingers zwischen den Silberschichten und den Stahlteilen anzulegen ist.
Die Fig. 5 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild des in Fig. 4 dargestellten Biegungsschwingers, wenn die Polarisationsrichtung der elektrostriktiven Plättchen in der durch die Pfeile 36, 36', 37 und 37'an- gedeuteten Weise angenommen wird. Werden die Zuführungsdrähte 34 und 35 zusammengefasst und an den einen Pol der Spannungsquelle gelegt, und die Zuführungsdrähte 32 und 33 zusammengefasst und an den andern Pol der Spannungsquelle gelegt, dann ergibt sich das Ersatzschaltbild eines Serienschwing- kreises mit der Induktivität L, der Kapazität C und einem ohmschen Verlustwiderstand R, denen eine Kapazität Cp parallelgeschaltet ist.
Wenn der Schwinger in Verbindung mit Geräten betrieben wird, deren Eingangs-bzw. Ausgangswider- stände verhältnismässig hochohmig sind, wird nur der Anschlussdraht 34 mit dem einen Pol der Span- nungsquelle und der Anschlussdraht 35 mit dem andern Pol der Spannungsquelle verbunden. Wenn hie- bei die Polarisationsrichtung in der durch das Pfeilpaar 37 und 37'und das Pfeilpaar 38 und 38'an- gedeuteten Weise angenommen wird, dann ergibt sich das in der Fig. 6 dargestellte Ersatzschaltbild, das wieder aus einem verlustbehafteten Serienschwingkreis besteht, dem eine Kapazität parallelgeschaltet ist.
Jedoch sind bei dieser Schaltung die Widerstandswerte des Serienschwingkreises um den Faktor 4 gegenüber dem in Fig. 5 gezeichneten Ersatzschaltbild, grösser, so dass der Serienschwingkreis aus einer
Induktivität 4L, einer Kapazität C/4 und einem ohmschen Verlustwiderstand 4R besteht. Die
Parallelkapazität hat den Wert Cp/4. Die Gute eines derart geschalteten Schwingers verändert sich hiebei nicht, da für die Güte lediglich das Verhältnis von Blindwiderstand zum Verlustwiderstand mass- gebend ist. Durch diese Art der Schaltung können die in derartigen Fällen erforderlichen Anpassungsüber- trager entfallen, was als sehr vorteilhaft anzusehen ist.
Der in Fig. 4 dargestellte Schwinger lässt sich auch als elektrischer Vierpol betreiben. Das entspre- chende elektrische Ersatzschaltbild ist in Fig. 7 gezeichnet. Hiezu werden die Anschlussdrähte 32 und 33 miteinander verbunden. Der eine Pol der anregenden Spannung ist an den der Silberschicht 31 zuge- ordneten Anschlussdraht 34 anzuschliessen, während der andere Pol an die zwischen den Punkten 32 und 33 liegende Verbindungsleitung anzuschliessen ist.
Die Ausgangsspannung kann von dem der Silberschicht 31'zugeordneten Anschlussdraht 35 und der zwischen den Punkten 32 und 33 liegenden Verbindungsleitung abgenommen werden. Legt man die in Fig. 4 durch die Pfeile 36, 36', 37 und 37' angedeutete Polarisation zugrunde, dann ergibt sich ein Ersatzschaltbild mit einer Eingangsquerkapazität Cp/2, einem Längsserienschwingkreis mit der Induktivität 4L, der Kapazität C/4 und dem Verlustwiderstand 4R und einer am Ausgang liegendenQuerkapazität Cp/2. Zwischen der Ausgangsquerkapazität und dem Längsserienkreis liegt ein idealer Übertrager 39 mit dem Übersetzungsverhältnis 1 :-1, was lediglich bedeutet, dass bei der Resonanzfrequenz des Schwingers die Ausgangsspannung in Gegenphase zur Eingangsspannung ist.
Wählt man jedoch die Polarisation der zu beiden Seiten der neutralen Faser liegenden elektrostriktiven Plättchen gleich (in Fig. 4 durch das gestrichelt gezeichnete Pfeilpaar 38 und 38'und das Pfeilpaar 37 und 37'angedeutet), dann fällt im Ersatzschaltbild der Fig. 7 der ideale Übertrager 39 fort, und die Klemmen 40 und 41 sind durchzuverbinden. Bei einer derart gewählten Polarisation der elektrostriktiven Keramik sind die Eingangs-und Ausgangsspannung bei der Resonanzfrequenz des Schwingers genau in Phase.
Die zur Gewinnung der Ersatzschaltbilder nach den Fig. 5 - 7 angestellten Überlegungen gelten in analoger Weise auch für den in Fig. 3 dargestellten Biegungsschwinger, der je nach den praktischen Erfordernissen als Zweipol oder als Vierpol zu betreiben ist. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel kann die Polarisation der elektrostriktiven Plättchen 19und 20 gleich oder entgegengesetzt sein mit der Polarisation der Plättchen 17 und 18. Wesentlich ist hiebei nur, dass die oberhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen entgegengesetzt zu den unterhalb der neutralen Faser liegenden Plättchen polarisiert sind.
Ordnet man beim Ausführungsbeispiel der Fig. 3 die elektrostriktiven Plättchen unsymmetrisch zum Ort maximaler Auslenkung an und gibt den Plättchen 19 und 20 eine von den Plättchen 17 und 18 unterschiedliche Dicke, dann ergibt sich im Ersatzschaltbild der Fig. 7 je nach der Zuordnung der Polarisation ein idealer Übertrager mit dem Übersetzungsverhältnis l : u bzw. l :-U. Dabei werden dann auch die Eingangs- und Ausgangsquerkapazitäten unterschiedlich gross, jedoch entspricht ihre Summe der er-
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satzschaltbildmässigen Gesamtquerkapazität.
Bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 1 - 4 wurde als Resonatormaterial Stahl mit rechteckigem
Querschnitt angenommen. Praktisch die gleichen elektrischen Verhältnisse ergeben sich auch dann, wenn das Resonatormaterial aus einem elektrisch nichtleitenden Material mit hoher Gute, wie z. B. Quarzglas besteht und auch dann, wenn die Resonatoren kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist in Fig. 8 ein Stimmgabelresonator dargestellt, bei dem das erfindungsgemässe Anregungssystem verwendet ist. Ein derartiger Resonator wird mit Vorteil bei ver- hältnismässig niedrigenFrequenzen verwendet, weil dort die erheblich grössere Länge eines gleichfrequen- ten stabförmigenBiegeschwingers unter Umständen störend ist. Da im Fusspunkt der Stimmgabel ausserdem ein Punkt vorhanden ist, an dem praktisch keine Bewegungen auftreten, kann die Gabel in diesem Punkt ausserordentlich starr in einem Gehäuse befestigt werden. Im Querschnitt der aus Stahl bestehenden
Stimmgabelarme 45 und 46 sind dünne Plättchen 47,48, 49 und 50 aus einem elektrostriktiven Ma- terial derart eingebracht, dass entlang der neutralen Faser die Spalte S und S'verbleiben.
An den
Stimmgabelarmen sind Zuführungsdrähte 51,52, 53 und 54 zum Anlegen einer elektrischen Spannung befestigt. Die Polarisation der einzelnen Plättchen ist wieder so gewählt, dass jeweils die zu beiden Sei- ten der neutralen Faser liegenden Plättchen entgegengesetzt polarisiert sind, wie es durch das Pfeil- paar 55 und 56 bzw. durch das Pfeilpaar 57 und 58 angedeutet ist. Dadurch führen die Stimmgabel-
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gabelfusses, d. h. also in dem Punkt, in dem praktisch keine Bewegungen auftreten, ist ein Haltedraht 60 vorgesehen, der der Verankerung des Stimmgabelresonators in einem nicht näher dargestellten Gehäuse dient.
Je nach der Art der verwendeten elektrostriktiven Keramik, können die Plättchen 47 - 50 (wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4) durch eine elektrisch leitende Schicht unterteilt sein. Wird der
Stimmgabelresonator lediglich als Zweipol betrieben, dann kann beispielsweise das im Arm 46 ange- ordnete Anregungssystem fortfallen. Wird der Resonator als Vierpol betrieben, dann kann an den Klem- men 53 und 54 die Ausgangsspannung abgenommen werden, wenn die Eingangsspannung an den Klem- men 51 und 52 liegt. Je nach der Zuordnung der Polarisation der im Stimmgabelarm 46 eingebrachtenPlättchen in bezug auf die Polarisation der im Stimmgabelarm 45 angeordneten elektrostrik- tiven Plättchen lässt sich erreichen, dass die Ausgangsspannung bei der Resonanzfrequenz der Gabel ent- weder in Phase oder in Gegenphase zur Eingangsspannung ist.
Falls es erforderlich ist, den mechanischen Biegeschwinger gegenüber mechanischen Erschütterungen oder stossartigen Belastungen besonders widerstandsfähig auszubilden, dann ist es auch möglich, die der Schwingungsanregung dienenden elektrostriktiven Plättchen in einem im Biegeschwinger vorgesehenen Schlitz unterzubringen. Dadurch wird der Schwinger nämlich nicht über seinen gesamten Querschnitt unterbrochen, wodurch sich seine mechanische Festigkeit erheblich erhöht. Entsprechende Ausführungsbeispiele sind in den Fig. 9-18 dargestellt.
Die Fig. 9 zeigt einen mechanischen Biegeschwinger, der aus einem durchgehenden Stahlteil 105 besteht, der mit einem Schlitz 107 versehen ist. Im Schlitz 107 ist ein Plättchen 106 aus einer elektrostriktiven Keramik (wie z. B. Bleizirkonat) eingebracht. Das elektrostriktive Plättchen 106 ist auf den dem Stahlteil zugekehrten Seiten mit metallischen Schichten 108 und 109, vorzugsweise Silberschichten, versehen. Zwischen der Silberschicht 109 und dem Stahlteil 105 liegt ein Plättchen 110 aus einem elektrisch nicht leitenden Material, das im Ausführungsbeispiel aus Quarzglas besteht. In den Schwingungsknoten 7 und 8 sind metallische Drähte 11 und 12 befestigt, die der Kopplung mit weiteren Biegeschwingern eines mehrteiligen Filters oder der Verankerung des Schwingers in einem nicht näher dargestellten Gehäuse dienen können.
Auf die Silberschicht 109 ist ein ZufUh- rungsdraht 116 aufgelötet, der zu einer Anschlussklemme 100 führt. Im Schwingungsknoten 8 ist ein weiterer Zuführungsdraht 117 befestigt, der zu einer Anschlussklemme 103 führt. Um die Güte des Schwingers nicht nachteilig zu beeinflussen, werden die Zuführungsdrähte 116 und 117 vorteilhafterweise aus einem möglichst leichten und flexiblen Material gebildet. Durch die strichpunktierte Linie 13 ist noch die sogenannte neutrale Faser des Schwingers angedeutet, worunter diejenige Ebene zu verstehen ist, in der die bei der Schwingung auftretenden Zug- und Druckkräfte ihr Vorzeichen umkehren.
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für den Fall, dass an die Klemmen 100 und 103 eine Wechselspannung U angelegt ist.
Durch den Pfeil 118 ist eine dem elektrostriktiven Plättchen aufgeprägte Polarisation angedeutet, die beispielsweise in der positiven Halbwelle der elektrischen Wechselspannung mit der elektrischen Feldrichtung
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übereinstimmt, in der negativen Halbwelle der elektrischen Wechselspannung entgegengesetzt zur Feldrichtung orientiert ist. Entsprechend dieser Polarisation dehnt sich das elektrostriktive Plättchen 106 unter dem Einfluss des elektrischen Feldes aus. Da der Schwinger aus einem durchgehenden Stahlteil besteht, werden durch die Ausdehnung des Plättchens 106 Biegekräfte auf den Schwinger ausgeübt, der damit entsprechend den für die elastische Linie gültigen Gesetzen durchgebogen wird.
Wenn sich die Polarität der an die Klemmen 100 und 103 angelegten Wechselspannung U umkehrt, zieht sich das Plättchen 106 zusammen, wodurch sich der Schwinger in der entgegengesetzten Richtung durchbiegt.
Dieser Schwingungszustand ist in Fig. 10 nicht mehr dargestellt. Wenn die Frequenz der Wechselspannung U zumindest näherungsweise mit der Eigenfrequenz des Schwingers übereinstimmt, dann führt dieser ausgeprägte Biegeschwingungen im Takt der angelegten Wechselspannung aus, u. zw. symmetrisch zu einer durch die Schwingungsknoten 7 und 8 festgelegten Ebene. Das elektrostriktive Plättchen 106 sowie das aus Quarzglas bestehende Plättchen 110 können durch Lötung im Schwinger befestigt sein.
Hiezu ist es allerdings erforderlich, auchdasQuarzglasplättchen 110 mit metallischen Belägen zu versehen. Es ist auch möglich, die Plättchen 106 und 110 durch EinschrumpfenimStahlteil 105 zu befestigen. Bei diesem Verfahren stehen dann die Plättchen 106 und 110 wegen der bei der Abkühlung des Stahlteils 105 auftretenden Längenverkürzung unter einer mechanischen Vorspannung, die zweckmässig so gewählt ist, dass eine innige Verbindung der Plättchen 10b und 110 mit dem Stahlteil zustandekommt.
In den Fig. 11 und 12 sind Ausführungsbeispiele dargestellt, bei denen zur Trennung der Anregungselektroden nicht ein elektrostriktiv inaktives, sondern ein elektrostriktiv aktives Material verwendet ist.
Der Schwinger gemäss Fig. 11 besteht aus einem durchgehenden Stahlteil 105, in dem ein Schlitz 107 eingefräst ist. In den Schwingungsknoten 7 und 8 sind wieder Drähte befestigt, die der Halterung des Schwingers in einem Gehäuse dienen. Zur besseren Übersicht sind diese Drähte sowie das Gehäuse in den Zeichnungen nicht dargestellt. Im Schlitz 107 sind zwei durch eine Silberschicht 128 getrennte Plättchen 120 und 121 aus einem elcktrostriktiven Material eingelötet. Mit der Silberschicht 128 ist ein Zuführungsdraht 131 verbunden, der zu einer Klemme 100 führt. Im Schwingungsknoten 8 ist am Stahlteil ein zu einer Anschlussklemme 103 führender Zuführungsdraht 130 befestigt. Die Polarisation des Plättchens 120 ist zu der des Plättchens 121 entgegengesetzt gerichtet, wie es durch die Pfeile 124 und 125 angedeutet ist.
Wird an die Klemmen 100 und 103 eine Wechselspannung U angelegt, dann dehnen sich beispielsweise in der positiven Halbwelle beide Plättchen 120 und 121 unter dem Einfluss des elektrischen Feldes aus, während sie sich in der negativen Halbwelle zusammenziehen, wodurch der Schwinger zu Biegeschwingungen angeregt wird.
Das Ausfùbrungsbeispiel gemäss Fig. 12 ist eine Weiterbildung des in Fig. 11 dargestellten Schwingers in der Weise, dass der Schwinger ausser dem durch die Keramikplättchen 120 und 121 gebildeten Anregungssystem noch mit einem weiteren elektrostriktiv aktiven System versehen ist. Dieses besteht aus den Keramikplättchen 122 und 123, die in einen weiteren, im Stahlteil 105 angeordneten Schlitz 107'eingebracht sind. Die Polarisation der Plättchen 122 und 123 ist wieder entgegengesetzt gerichtet, wie es durch die Pfeile 126 und 127 angedeutet ist. Zwischen den Plättchen 122 und 123 liegt eine Silberschicht 129, auf die ein zu einer Anschlussklemme 102'führender Anschlussdraht 132 aufgelötet ist.
Die die Plättchen 120 und 121 trennende Silberschicht 128 ist mit
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Anschlussdrahtmen 100'und 103'eineEingangswechselspannung Ue, dann fUhrt der Schwinger in der bereits be- schriebenen Weise Biegeschwingungen aus. Auf Grund dieser Biegeschwingungen werden die Plättchen 122 und 123 Dehnungen und Zusammenziehungen unterworfen, so dass wegen des piezoelektrischen Effektes zwischen der Silberschicht 129 und dem Stahlteil 105 eine Wechselspannung entsteht, deren Frequenz mit der Frequenz der anregenden Spannung Übereinstimmt und die an den Klemmen 102'und 103' als Ausgangswechselspannung U abgenommen werden kann.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 12 sind die beiden elektrostriktiv aktiven Systeme zu beiden Seiten der neutralen Faser des Schwingers gegeneinander versetzt angeordnet. Praktisch die gleichen elektrischen Eigenschaften sind dann zu erreichen, wenn sich die elektrostriktiv aktiven Systeme genau gegenüberliegen, oder wenn sie nur auf einer Seite der neutralen Faser in einem geeigneten Abstand voneinander angeordnet sind.
Wenn der Schwinger zweipolig (vgl. Fig. 9 - 11) betrieben wird, dann lässt sich sein elektrisches Verhalten auf das Ersatzschaltbild gemäss Fig. 5 zurückführen. Zwischen den Klemmen 100 und 103 ergibt sich ein Impedanzverhalten, das sich durch einen Serienschwingkreis mit der Induktivität L, der Kapazität C und einem Verlustwiderstand R, denen eine Kapazität Cp parallel geschaltet ist, darstellen lässt.
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Das elektrische Ersatzschaltbild eines als Vierpol betriebenen Schwingers (entsprechend der Fig. 12) ist in Fig. 13 dargestellt. Den Eingangsklemmen 100'und 103'ist eine Querkapazität C. nachgeschaltet, im Längszweig liegt ein verlustbehafteter Serienschwingkreis mit der Induktivität L', der Kapazität C'und dem Verlustwiderstand R', und am Ausgang liegt im Querzweig eine Parallel- kapazität Cp g. Zwischen den Klemmen 102'und 103'tritt immer dann eine Ausgangswechselspannung Ua auf, wenn die Eigenfrequenz des Schwingers wenigstens näherungsweise mit der Frequenz der Eingangswechselspannung Ug übereinstimmt.
In den Fig. 14-16 sind stimmgabelförmige Biegeschwinger dargestellt, deren Verwendung vor allem bei verhältnismässig niedrigen Frequenzen vorteilhaft ist, da dort die grössere Baulänge eines gleichfrequenten stabförmigen Biegeschwingers unter Umständen störend wirkt.
Im Ausführungsbeispiel der Fig. 14 liegen zwischen den Gabelzinken eines stimmgabelformigen Biegeschwingers 135 zwei Plättchen 136 und 137 aus einer elektrostriktiven Keramik, deren Polarisation im Sinne der Pfeile 139 und 140 entgegengesetzt gerichtet ist. Von einer die Plättchen 136 und 137 trennenden Silberschicht 138 führt ein Anschlussdraht 141 zu einer Klemme 100. Ein weiterer Anschlussdraht 144 ist direkt am Stahlteil der Stimmgabel befestigt und führt zu einer Klem" me 103. Da im Stimmgabelfuss ein Punkt liegt, in dem praktisch keine Bewegungen auftreten, wird dort zweckmässig ein Haltedraht 142 befestigt, der der Verankerung der Stimmgabel in einem nicht näher dargestellten Gehäuse dient.
Beim Anlegen einer Wechselspannung an die Klemmen 100 und 103 werden die elektrostriktiv aktiven Plättchen 136 und 137 Dehnungen und Zusammenziehungen unterworfen, die wegen der festen Verbindung dieser Plättchen mit den Stimmgabelzinken auf die Stimmgabel übertragen werden. Die Stimmgabel wird immer dann zu Schwingungen angeregt, wenn ihre Eigenfrequenz mit der Frequenz der an den Klemmen 100 und 103 angelegten Wechselspannung wenigstens näherungsweise übereinstimmt.
Der in Fig. 15 dargestellte Stimmgabelresonator stimmt im wesentlichen mit dem in Fig. 14 dargestellten überein. Jedoch liegt das elektrostriktiv aktive System hiebei in einem, im Verbindungsstück der beiden Gabelzinken vorgesehenen Schlitz 143. Bedingt durch den Aufbau können die in den Fig. 14 und 15 gezeigten Stimmgabelresonatoren nur zweipolig betrieben werden, so dass ihr Verhalten auf das elektrische Ersatzschaltbild der Fig. 5 zurückzuführen ist.
Das Verhalten eines Vierpoles lässt sich mit dem in Fig. 16 dargestellten Stimmgabelresonator er-
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elektrostriktiv aktiven Plättchen 146 und 147, zwischen denen ein Abstandsstück 153 aus einem elektrisch nicht leitenden Material (z. B. Quarzglas) liegt, und deren Polarisation beispielsweise im Sinne der Pfeile 148 und 149 gewählt ist. Von der auf das Plättchen 146 aufgebrachten Silberschicht 150 führt ein Anschlussdraht 154 zu einer Klemme 100', von der auf das Plättchen 147 aufgebrachten Silberschicht 151 führt ein Anschlussdraht 155 zu einer Anschlussklemme 102'. Ein weiterer An- schlussdraht 156 ist direkt mit dem Stahlteil verbunden und führt zu einer Anschlussklemme 103'.
Im Ruhepunkt der Stimmgabel 145 ist wieder ein Haltedraht 142 befestigt. Wird an die Klemmen 100'und 103'eine Eingangswechelspannung Ue gelegt, deren Frequenz etwa mit der Eigenfrequenz der Stimmgabel übereinstimmt, dann führt diese Biegeschwingungen im Takt der angelegten Wechselspannung aus. Auf Grund dieser Schwingungen wird das elektrostriktive Plättchen 147 gedehnt und zusammengezogen, so dass zwischen der Silberschicht 151 und dem Stahlteil 145 eine. Wechselspannung auftritt, die als Ausgangswechselspannung an den Klemmen 102'und 103'abgenommen werden kann. Damit lässt sich der in Fig. 16 dargestellte Stimmgabelresonator auf das Ersatzschaltbild der Fig. 13 zurückführen.
Praktisch die gleichen elektrischenVerhältnisse werden dann erreicht,. wenn die elektrostriktiv aktiven Systeme und das Abstandsstück 153 zwischen den beiden Gabelzinken (ähnl.
Fig. 14) angeordnet werden.
Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 17 ist in einem durchgehenden Stahlteil 105 ein Schlitz 107 vorgesehen, in den vier hintereinanderliegende elektrostriktive Plättchen 160, 161, 162 und 163 eingebracht sind. Die elektrostriktiven Plättchen sind durch Silberschichten 165, 166 und 167 voneinander getrennt. Von derSilberschicht 165 fihrt ein Anschlussdraht 168 zu einer Klemme 100', von der Silberschicht 167 filhrteinAnschlussdraht 169 zu einer Anschlussklemme 102'und von der Silber- schicht 166 führt ein Anschlussdraht 170 zu einer Klemme 103', die ausserdem über einen wei- teren Anschlussdraht 171 mit dem Stahlteil 105 in elektrisch leitender Verbindung steht.
In der Re- gel wird der Anschlussdraht 171 in einem der Schwingungsknoten 7 oder 8 mit dem Stahlteil verlö- tet. Wegen der leitenden Verbindung über die Drähte. 170 und 171 liegt die Silberschicht 166 auf
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dem gleichen elektrischen Potential wie der Schwinger 105. Die Polarisation der elektrostriktiven
Plättchen ist so gewählt, dass jeweils zwei benachbarte Plättchen entgegengesetzt polarisiert sind, wie es beispielsweise durch die Pfeile 173 - 176 angedeutet ist.
Eine an den Klemmen 100'und 103'an- liegende Eingangswechselspannung erzeugt zwischen den Klemmen 102'und 103'in der bereits be- schriebenen Weise immer dann eine Ausgangswechselr. pannung, wenn die Frequenz der Eingangswechsel- spannung mit der Eigenfrequenz des Biegeschwingers zumindest näherungsweise übereinstimmt. Ein gemäss der Fig. 17 aufgebauter Schwinger hat unter anderem den Vorteil, dass im Stahlstab nur ein Schlitz vor- zusehen ist, wodurch sich die mechanische Festigkeit des Schwingers erhöht. Sein elektrische ? Ersatz- schaltbild entspricht der in Fig. 13 dargestellten Schaltung.
In Weiterbildung des in Fig. 17 dargestellten
Schwingers kann beispielsweise ein weiteres, durch eine metallische Zwischenschicht getrenntes Plättchen- paar im Schlitz 107 angebracht werden, dessen elektromechanischer Kopplungsfaktor von dem der üb- rigen Plättchen abweicht. Eine derartige Anordnung ermöglicht dann in einfacher Weise die Abnahme einer zusätzlichen Signalspannung, die zur Steuerung weiterer Geräte verwendet werden kann.
In Fig. 18 ist ein Biegeschwinger dargestellt, dessen Schwingungsanregung über den sogenannten transversalen piezoelektrischen Effekt erfolgt. Im Stahlteil 105 ist ein Schlitz 107 vorgesehen, in den ein elektrostriktiv aktives Plättchen 180 eingelötet ist. Auf das elektrostriktive Plättchen 180 sind Anregungselektroden 181 und 182 in Form von Silberschichten aufgebracht, die über Zuführung- drähte 183 und 184 mit den Anschlussklemmen 100 und 103 in Verbindung stehen. Die Polarisation des elektrostriktiven Plättchens 180 ist durch den Pfeil 185 angedeutet. Beim AnlegeneinerWech- selspannung an die Klemmen 100 und 103 wird das Plättchen 180 gedehnt und zusammengezogen.
Diese Bewegung hat wegen des transversalen Effektes Dehnungen und Verkürzungen der elektrostriktiven
Keramik 180 zur Folge, die in der Bewegungsrichtung der mechanischen Dehnung des Schwingers 105 liegen und diesen somit zu Biegeschwingungen anregen. Die in Fig. 18 gewählte Darstellung entspricht einem zweipoligen Schwmger und kann durch ein weiteres gleichartiges System zu einem als elektrischer
Vierpol arbeitenden Schwinger erweitert werden. Analog lässt sich dieses Anregungssystem auch bei den in den Fig. 14 - 16 dargestellten stimmgabelförmigen Schwingern verwenden und wird vorzugsweise dann eingesetzt, wenn nur schmale Filterbandbreiten gefordert sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektromechanischer Biegeschwinger, insbesondere Endschwinger eines mehrteiligen elektrome- chanischen Filters, der die Form eines Stabes mit vorzugsweise kreis- rechteckförmigem Querschnitt hat und aus einem schwingungsfähigen Material, gegebenenfalls Stahl, besteht und der durch mit elek- trisch leitenden Belägen versehene Plättchen aus elektrostriktivem Material zu einem Wandler für den Übergang von elektrischen Schwingungen auf mechanische Biegeschwingungen und umgekehrt ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen der von der neutralen Faser des Biegeschwingers gebildeten Ebene und wenigstens einer seiner parallel zur neutralen Faser verlaufenden äusseren Begrenzungflächen wenigstens ein Plättchen elektrostriktiven Materials mit zumindest näherungsweise senkrecht zur Längsachse des Biegeschwingers verlaufender Plättchenebene und vorwiegend innerhalb des durch zwei Schwingungsknoten begrenzten Bereiches angeordnet ist, und dass dem aus elektrostriktivem Material bestehenden Plättchen eine zumindest näherungsweise in Richtung der Längsachse des Biegeschwingers verlaufende Polarisation aufgeprägt ist.